1 項(xiàng)目概況

某公司投資建設(shè)的科技園項(xiàng)目總占地面積約7.2 hm2(108畝），規(guī)劃16棟樓，建筑面積約1.5×105m2，供熱面積約1.14×105m2，總熱負(fù)荷7 000 k W。原規(guī)劃采用天然氣鍋爐供熱，但冬季供熱時(shí)，天然氣價(jià)格最高可達(dá)4.9元/m3，年運(yùn)行成本高。項(xiàng)目所在區(qū)域位于太原盆地西溫莊隆起，地?zé)豳Y源豐富。因此，計(jì)劃采用中深層地?zé)?/a>替代原規(guī)劃的天然氣鍋爐供熱，以大幅降低供熱費(fèi)用。

2 中深層地?zé)崮?/a>稟賦條件

2.1 構(gòu)造概況

太原盆地自北向南排列為城北凹陷、三給地壘、城區(qū)凹陷、親賢地壘、晉源凹陷和西溫莊隆起6個(gè)構(gòu)造單元。本項(xiàng)目擬建井位于太原盆地西溫莊隆起。

2.2 地層概況

本項(xiàng)目所在區(qū)域地層從上至下主要由第四系、新近系、古近系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系下中統(tǒng)和寒武系上中統(tǒng)等地層組成。

2.3 地?zé)豳Y源形成條件分析

已有的區(qū)域?qū)嶃@資料表明，項(xiàng)目所在區(qū)具備良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件，熱儲(chǔ)層巖性為奧陶系、寒武系碳酸鹽巖，主要表現(xiàn)如下。

1）蓋層。蓋層由第四系、新近系泥巖層和二疊、石炭系巖層組成，總厚度600～1 700 m不等，其中，第四系、新近系、三疊系泥巖層厚600～2 000 m不等；二疊和石炭系巖層厚300 m左右。奧陶系中統(tǒng)峰峰組頂板埋深600～1 800 m，其上蓋層厚度較大，分布比較穩(wěn)定，隔水、隔熱性能良好，具備良好的蓋層條件。

2）熱儲(chǔ)層。熱儲(chǔ)層主要為古生界碳酸鹽巖地層，即奧陶、寒武系灰?guī)r，尤以中奧陶統(tǒng)、中寒武統(tǒng)發(fā)育最好，總厚300～800 m。

3）熱源。太原盆地的熱源主要為裂谷盆地背景下的高大地熱流，傳熱方式以熱傳導(dǎo)為主。據(jù)山西大地熱流值分布資料，中部各盆地大地?zé)?/a>流值1.7 HFU（熱流值單位），而山區(qū)普遍小于1.3 HFU。區(qū)域熱流值高，一般表征地殼薄，居里等溫面埋藏較淺（小于20 km），深部熱流值高。

4）通道。西溫莊地?zé)崽?/a>西側(cè)、北側(cè)斷裂形成的破碎帶，均具有導(dǎo)水作用。斷裂縱橫交錯(cuò)，彼此連通，將地下熱水經(jīng)深循環(huán)對流作用，沿構(gòu)造通道將深部熱能攜帶到中淺層。太原盆地的地下水都來自盆地本身及山區(qū)的大氣降水，經(jīng)斷裂帶及層中的巖溶縫隙相互溝通。

2.4 流體物理化學(xué)特征

地?zé)崴?/a>化學(xué)類型為SO42--Ca2+型水，礦化度為1.0～2.1 g/L，總硬度為0.7～1.4 g/L,p H值為7.0～8.3，呈弱堿性。

2.5 水溫、水量預(yù)測

通過收集查閱本區(qū)域相關(guān)地質(zhì)資料和了解附近地?zé)犴?xiàng)目情況，收集調(diào)研的資料顯示，該區(qū)域附近地?zé)峋?/a>的水量在100 m3/h以上，井口水溫在60℃以上，最高達(dá)到74℃。

3 項(xiàng)目熱負(fù)荷

3.1 熱負(fù)荷分析

本項(xiàng)目總供熱面積約1.14×105m2，總需求熱負(fù)荷為7 000 k W。根據(jù)太原市氣候條件和項(xiàng)目建筑特性，項(xiàng)目每年供熱期為11月1日至次年3月31日，供熱時(shí)段0:00—24:00，室內(nèi)溫度要求18℃以上。

3.2 平均熱負(fù)荷

根據(jù)CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算該項(xiàng)目采暖期采暖平均熱負(fù)荷。采暖期平均熱負(fù)荷計(jì)算式為：

式中：Qh,a為采暖期采暖平均熱負(fù)荷的數(shù)值，單位k W;Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值，單位k W;ti為室內(nèi)計(jì)算溫度的數(shù)值，單位℃；ta′為采暖期除去最冷5 d后平均室外溫度的數(shù)值，單位℃；to,h為采暖室外計(jì)算溫度的數(shù)值，單位℃；N為采暖時(shí)間的數(shù)值，單位d。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為7 000 k W，室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)為18℃，供熱時(shí)間為150 d，平均室外溫度按照除去最冷5 d后的平均室外溫度為-3.38℃，則該項(xiàng)目采暖期采暖平均熱負(fù)荷為4 859.09 k W。

3.3 全年耗熱量

年耗熱量由式（2）計(jì)算：

式中：Qha為全年耗熱量的數(shù)值，單位GJ。

項(xiàng)目平均熱負(fù)荷為4 859.09 k W，則該項(xiàng)目年耗熱量為62 959.68 GJ。

4 熱源建設(shè)方案

4.1 熱源方案

4.1.1 生產(chǎn)井?dāng)?shù)量的確定

根據(jù)地?zé)?/a>資源分析，項(xiàng)目所在區(qū)域有豐富的地?zé)?/a>資源，可采用地?zé)?/a>作為熱源。設(shè)計(jì)地?zé)峋?/a>深2 450 m，地?zé)峋?/a>單井出水量105 m3/h，井口溫度65℃。

小區(qū)末端采用風(fēng)機(jī)盤管，設(shè)計(jì)供熱供回水溫度為45℃/40℃。按照尾水回灌溫度15℃計(jì)算，地?zé)崴?/a>直供可提供負(fù)荷Q1=105×1.163×（65-42)=2 808.65 k W，熱泵COP (Coefficient Of Performance，能效比）按4.0計(jì)算，熱泵可提供負(fù)荷Q2=105×1.163×（42-15）×4÷3=4 396.14 k W，因此，單井可提供負(fù)荷為Q=2 808.65+4 397.14=7 204.79 k W。根據(jù)熱負(fù)荷分析，項(xiàng)目需要的地?zé)峋?/a>口數(shù)n=7 000÷7 204.79=0.97口，因此需生產(chǎn)井1口。由以上分析可知，該地?zé)峋疅嵩锤辉?，可滿足項(xiàng)目的供熱需求。

4.1.2 回灌井數(shù)量的確定

初步擬定按照同層1∶1回灌，即采用“一采一灌、同層回灌、取熱不耗水”的模式進(jìn)行回灌，因此需新建回灌井1口。

4.2 換熱站設(shè)計(jì)

4.2.1 工藝流程

該項(xiàng)目利用地?zé)崴?/a>作為供熱熱源，冬季提供45℃/40℃采暖熱水。系統(tǒng)設(shè)置1口生產(chǎn)井。項(xiàng)目供熱系統(tǒng)不分高低區(qū)，采用“板換直供+熱泵機(jī)組調(diào)峰”的方式為項(xiàng)目供熱，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，板式換熱器直供，直供無法滿足熱負(fù)荷需求時(shí)，開啟熱泵機(jī)組調(diào)峰以滿足總熱負(fù)荷要求。具體流程為：地?zé)崴?/a>首先經(jīng)過一級(jí)板換，板換一次側(cè)供回水溫度65℃/42℃，二次側(cè)供回水溫度45℃/40℃。經(jīng)過一級(jí)板換后的地?zé)崴疁囟?/a>降至42℃，一級(jí)板換出來的地?zé)崴?jīng)過二級(jí)板換再次提取熱量，溫度從42℃降到15℃；二級(jí)板換二次側(cè)出水溫度21℃，進(jìn)入熱泵機(jī)組經(jīng)蒸發(fā)器換熱后，溫度降到13℃。地?zé)崴ㄟ^二級(jí)換熱后，通過熱泵機(jī)組的提升作用，冷凝側(cè)產(chǎn)生45℃/40℃的熱水供末端風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

4.2.2 主要設(shè)備選型

從工藝原理圖看，該項(xiàng)目主要設(shè)備為潛水泵、熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵、板式換熱器、軟化系統(tǒng)、回灌過濾裝置等。

4.2.3 地?zé)嵛菜?/a>處理

由于礦化度、溫度、政府政策管控等原因，需對地?zé)嵛菜?/a>進(jìn)行同層回灌處理，實(shí)現(xiàn)地?zé)嵛菜?/a>的全部同層回灌。因此，在換熱站內(nèi)設(shè)置地?zé)嵛菜?/a>回灌過濾裝置，過濾管道及系統(tǒng)殘留的直徑相對較大的顆粒，防止回注地?zé)崴氯責(zé)崴畠?chǔ)層。

5 供熱效果分析

在該項(xiàng)目投入運(yùn)行后，進(jìn)行了換熱站站內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和供熱用戶端室內(nèi)溫度參數(shù)入室測量，詳細(xì)記錄了一個(gè)供熱季的參數(shù)。根據(jù)項(xiàng)目的運(yùn)行日報(bào)表，即11月1日至次年3月31日的運(yùn)行報(bào)表，供熱用戶端的室內(nèi)溫度維持在20℃以上，供熱效果良好。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

項(xiàng)目建設(shè)投資為1.529 8×107元，按照30年運(yùn)行期測算2種方案的總費(fèi)用，總費(fèi)用包含項(xiàng)目投資費(fèi)用和30年運(yùn)行費(fèi)用。中深層地?zé)?/a>方案總費(fèi)用6.908 98×107元，天然氣鍋爐方案總費(fèi)用1.818 636×108元，中深層地?zé)?/a>方案相比于天然氣鍋爐方案可節(jié)省費(fèi)用1.127 738×108元。該項(xiàng)目隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，經(jīng)濟(jì)效益愈發(fā)顯著。

6.2 環(huán)保效益分析

本項(xiàng)目實(shí)施可以降低環(huán)境污染，減少CO2、SO2的排放，同時(shí)可減少煙霧、粉塵等污染物的排放。項(xiàng)目運(yùn)行后，年節(jié)約標(biāo)煤量約2 148.28 t，年減排CO2約5 628.49 t，年減排SO2約18.26 t，年減排NOx約15.89 t。

7 結(jié)論

1）項(xiàng)目區(qū)域地?zé)豳Y源豐富，地?zé)衢_發(fā)利用符合國家、地區(qū)產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向和戰(zhàn)略要求。

2）本項(xiàng)目采用中深層地?zé)?/a>供熱方案，設(shè)計(jì)2口地?zé)峋?，井深約2 450 m，一采一灌。采用“板間接換熱+熱泵機(jī)組梯級(jí)利用”的工藝流程，為項(xiàng)目冬季供熱。

3）本項(xiàng)目與天然氣鍋爐供熱方案相比，在30年運(yùn)營期內(nèi)，總計(jì)可節(jié)約費(fèi)用1.127 738×108元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）本項(xiàng)目的實(shí)施還具有良好的環(huán)保效益和社會(huì)效益。項(xiàng)目運(yùn)行后，年節(jié)約標(biāo)煤量約2 148.28 t，年減排CO2約5 628.49 t，年減排SO2約18.26 t，年減排NOx約15.89 t。