干热岩热泵系统西安某公寓示范项目

干热岩热泵系统西安某公寓示范项目

1. 
   

2. 庞瑞雪 2.杨 勇

1.45252819810216****

2.51132219830421****

摘要：本文主要介绍干热岩技术在公寓项目应用实例，重点论述换热井是设计参数、系统配置、运行工况及经济环境效益等。

关键词：干热岩、深井换热、中深层地热能、低碳技术

引言：干热岩热泵系统，是利用深2000-5000m干热岩为换热载体，在钻孔中安装埋设密闭金属换热器，其内充满换热介质，通过换热器传导将蕴藏在大地深度的热量导出，使用地源热泵或热交换器等工艺向建筑物供暖。西安某公寓项目使用了该技术，应用上取得了成功，该项目的工况极佳，具有极高的示范意义。在此，将项目数据分析给各位同仁，供参考。

1. 
   

2. 干热源简介

干热岩（HDR），是一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分可以变化很大, 绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩, 但也可以是中新生代的变质岩, 甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩主要被用来提取其内部的热量, 因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。

2. 
   

3. 干热源地源热泵系统

干 热岩因其得天独厚的较高温度，一旦成功开采出来，将是冬季供暖的良好热源。但因其造价较高，对于面积较小的建筑供暖，高昂的成本是一般人难以承受的。因此，用干热岩技术来进行集中供暖是比较合适的选择。

干热岩供暖技术是通过钻机向地下2000~4000m深度高温岩层钻孔，在孔中安装一种密闭的金属换热器，将地下深层的热能导出，并通过地源热泵系统向地面供暖的新技术。开发利用干热岩，从对大气环境的保护角度和资源的储备量讲，其优势是其他能源类别不可比的。干热岩资源在其利用过程中不燃烧化石燃料，因此不会排放温室气体二氧化碳和其他污染物。干热岩储量丰富，并可循环利用，可满足人类长期使用的需要。

3. 
   

4. 项目概况

该公寓项目位于西安市雁塔区，建筑用途为公寓，建筑面积约12000㎡。项目采用干热岩热泵机组+板式换热器为建筑空调提供冷、热源，夏季使用冷却塔散热，冬季使用深井干热岩技术，利用大地蕴含的巨大热量，作为冬季采暖热量来源。空调末端系统为毛细管网，同时设置新风系统，打造恒温恒氧恒湿的舒适居住空间。干热岩井富余的热量，作为公寓生活热水加热全年使用。

4. 
   

5. 设计参数

建筑空调系统冷负荷约620KW，热负荷约540KW。地区气候条件如下表

表1 项目所在地气候条件

干热岩热泵机组冬季供暖供回水温度为32/29℃，地源侧进出水温度12/7℃。

干热岩热泵机组夏季制冷供回水温度为16/19℃，冷凝侧进出水温度37/32℃。

设计一口干热岩换热井，取热不取水，井深2500米，实验记录底部地层初始温度为65℃。

5. 
   

6. 水文地质条件

项目地处渭河断陷盆地中段，堆积有非常厚的新生代陆相疏松地层，为地下水的形成和贮存提供了非常良好的条件。区域内第四系地层分布广泛，厚度大，富水性好。地下水的流向，与地面坡度总倾斜大体一致。沣河以西由南向北流。市区因地形东南高西北低，地下水亦由东南流向西北。灞河以东由南向北流。渭河两岸则近东西流向。黄土台塬区潜水流向，总趋势与地形大致一致，但在塬边呈放射状流动，潜水面以台塬中部为中心，形成穹丘状，浸润曲线向沟谷方向迅速落降。地下水补给来源有降水入渗、河流侧渗、灌溉水入渗和上游侧向径流等多种。降水垂直入渗是地下水的主要补给来源，尤其渭河干流冲积平原的河漫滩、多级阶地，地形平坦，表层疏松，降水垂直入渗约占总补给量的50％。

本项目干热岩井深2500米一口，实施固井一次成功，过程顺利，未发现不适宜钻井地质情况。由于存在丰富的地下水径流条件，地热均衡性良好，是理想的干热岩井。

6. 
   

7. 主要设备设施

项目采用干热岩热泵机组一套（一体双机，独立控制），制冷量620KW,制热量720KW，多机头，低负荷工况良好，同时对机组进行了定制设计，适应空调侧循环水小温差，使之处于最佳工况点附近。

配置了两组板式换热器，冬季地源侧水温较高时直供空调系统，换热后的水使用热泵系统再次提升，供空调系统。

干热岩换热井一口，建在建筑外的绿地，设有小室，采用石油地质管护壁。热量供应热泵机房和生活热水泵房，承担干热岩热泵系统约500KW热量，其他富余热量，供应生活热水系统使用。

7. 
   

8. 系统运行工况

夏季热泵机组制冷模式，用冷却塔散热，冷冻水设定出水温度15℃，温差约2.5℃，系统EER据统计约为5.5。

冬季热泵机组制热模式，干热岩换热 井为热量来源，与板式换热器配合使用，达到最佳运行匹配工况。空调热水出水温度设定33℃，地下循环水水温较高时可叨叨40℃，采用板式换热器单独工作；长期运行稳定，地下循环水温度不低于30℃，用板式换热器预处换热，再用热泵系统对水温进行提升，达到所设定的空调热水所需温度。经过2020年供暖季统计，系统COP平均为4.5，节能效果远超一般的地源热泵系统。

换热器范围内地下温度场较稳定，据管理单位介绍，最冷时地源水进水温度下降约3℃，待气温回升后，温度即回升至现有工况，接近初始温度。可以推测，在无夏季热量回灌的情况下，地温场温度下降细微，可以忽略。机房实行精细化节能管理，系统及设备适当优化，能耗可能还有下降空间。

8. 
   

9. 系统电耗数据

2020年全年运行，该公寓全年单位平米费用仅为14.64元，节能效果明显。用电总量及费用情况如下表所示

表2 2020年该公寓热泵机房用电情况统计

9. 
   

10. 经济环境效益

按《可再生能源建筑应用工程评价标准》GB/T50801-2013，干热岩热泵系统常规能源替代量、二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量，按替代天然气采暖考虑，估算每年节能减排量如下表：

表3 项目干热岩热泵系统节能减排量估算（每年）

减少煤炭耗费和减排CO2都是我国目前应尽快解决的问题。而调整能源消费结构，将明显降低二氧化碳排放，因此它能更好地完成降低碳排放、实现低碳发展的目标任务。干热岩地源热泵系统有效的替代了传统能源，不仅实现了节能减排，还有效提高经济效益和社会效益，达到双赢的效果。

10. 
    

11. 项目积极意义

干热岩供热技术的发明和应用，改变了传统意义上的地热概念。地热的储量、分布、利用方式都发生了颠覆性变革，利用方式不再受限于开采地热水，要尽可能做到取热不取水，使之不再受到资源的限制，可以随时随地开采地热能应用于各行业和领域。地热能属非化石能源的一类，随着新技术的应用，使之成为新的替代能源。虽然干热岩储量大、无污染，但由于深部钻探技术的不成熟、压裂的高昂成本，它的开采难度极大，放眼全球，真正成功运行的干热岩项目屈指可数。“我们的征途是星辰大海”，面对广袤的太空和深邃的海洋，我们充满了求知进取的动力和勇气，但不得不承认的是，我们对脚下这片土地却知之甚少，也许在地壳更深处埋藏着更多的秘密。