中深层地岩热技术在宁夏地区的应用展望

杨海鸿 管东海 王翠萍 陈彦苏 杨明秀

（1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司,甘肃 兰州 730020；
2.宁夏蔚来新材料研究院有限公司,宁夏 银川 750004；
3.宁夏建筑科技与产业化发展中心,宁夏 银川 750004.）

1.1 地热能开发利用技术及现状

地热能是一种存在于地球内部岩土体、流体和岩浆体中的可再生能源。由于地球表面受太阳辐射和地球内部有放射性元素的衰变，地球内部不断产生热能，所以地球内部温度很高，而且深度越深温度越高，平均深度每增加100 m地层温度升高3.0 ℃左右。地热能具有储量丰富、分布广泛、稳定可靠、清洁低碳等独特的优越性，已成为国内外能源转型的重要发展方向之一。

地热能开发利用的主要形式包括浅层地热能、水热型地热能、岩热型地热能等，地热能开发利用的主要技术形式及特点如图1所示。

图1 地热能开发利用技术及特点

中国地质科学院资料显示，我国地热能资源极其丰富且分布广泛，约占全球地热资源总量的1/6，中低温地热田（25～150 ℃）遍布全国。水热型地热资源量折合1.25万亿t标准煤，年可开采量折合19亿t标准煤；
地下3 000～10 000 m的深层干热岩地热能相当于856万亿t标准煤[1]，按国际通行的2%可开采资源量计算，相当于我国目前年能源消耗总量的3 400多倍。

目前我国地热能主要利用形式为水热型及浅层地热能，地热能直接利用规模现居世界首位。我国336个地级以上城市规划区范围内，浅层地热能年可开采资源量折合标准煤7亿t，中深层地热能年可开采资源量折合标准煤19亿t[2]。

1.2 中深层地岩热供热技术原理

中深层地岩热供热技术近年来发展迅速，已成为地热能开发利用的主要方式之一。

中深层地岩热供热技术利用地层中普遍存在的地温梯度，通过钻机向地下深度2 000～3 000 m、温度70～90 ℃的中高温岩土层钻孔，孔径约200 mm，在钻孔中安装密闭的高性能金属换热器，利用换热器将地下深处的热能导出，再通过地上地岩热主机系统向建筑物或其他热用户持续稳定供热。其与冷却水塔等冷源端结合后，还可实现夏季空调制冷。中深层地岩热供热技术原理示意图如图2所示。

图2 中深层地岩热供热技术原理示意图

1.3 中深层地岩热供热技术特点

中深层地岩热供暖技术具有井下封闭换热、取热不取水、对自然环境无干扰的特点，是绿色低碳的清洁供暖方式，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。与其他几种主要的可再生能源相比，中深层地岩热既不存在太阳能、风能等容易受天气变化影响，不稳定、不连续，需要增加储能、调峰等环节的问题，又能克服浅层土壤源热泵热总量小、热补偿不易平衡，长期使用易出现“热衰减”，造成效率下降、后期运行费用逐渐增加的问题，还可以彻底避免水热型技术取用地下水、100%同层回灌困难、地下水资源受到严格保护的问题。其具有以下显著特点。

（1）普遍适用。

地下处处都有地热能，热源可再生且稳定，具有普遍适用性，换热孔位置的选定比较灵活，一般不受场地条件制约。

（2）安全可靠。

地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命长（不小于30年）。地岩热换热孔孔径小（约200 mm），深度在1 000 m以上，对建筑地基无任何影响；
全系统低温低压运行，无化学反应，系统稳定，无安全隐患，可靠性高。

（3）自主供热，灵活建设，适用范围广。

系统供热不受气候环境、燃气、热力等外购能源的限制，自主供热，自动化程度高，无人值守；
建设可根据项目进度分期、分步建设，实现片区乃至楼栋的分布式自主供热。

（4）运行成本低廉。

系统无长距离输送动力能耗和沿程温降损失，单个换热孔可满足500～700 kW的热负荷，全系统能效比COP值可达到5.0以上，运行成本低廉。

（5）绿色低碳。

系统无废气、废液、废渣排放，能量来自深层地热能，碳减排效果显著；
系统与地下岩层物理隔离，只取热不取水，对地上、地下水环境均无干扰。

2.1 中深层地岩热技术发展现状

近年来，中深层地岩热供暖技术在陕西、河南、山东、内蒙古、北京等地得到了快速发展，已投入使用的建筑面积超过2 000万m2，最具代表性的是陕西西咸新区中国西部科技创新港项目，该项目供暖面积为159万m2，总热负荷75.69 MW，共6座分布式能源站，91口地热井。2022年3月北京城市副中心站综合交通枢纽工程中深层地热示范项目通过评审验收，该项目地岩热换热井深2 745 m，稳定输热能力实现550 kW，最高超过660 kW，可向2.5万m2建筑供暖。甘肃省天水市职教园区中深层无干扰地岩热系统供热（制冷）项目，供热面积60万m2，设计3座分布式能源站，采用32口换热井满足供热和制冷需求。

据相关报告，在天津、河北亦有中深层地岩热供热项目建成，为该技术在全国不同地区推广应用起到了引领示范作用。此外，上海、山东、黑龙江、河南等省市也积极开展深层地源热泵供热工程示范，截至2016年年底，全国建成的示范工程面积已超过600万m2。可以看出，深层地源热泵在建筑供热方面的应用已受到国内外的广泛关注[3]。

国内主要中深层地岩热技术示范工程一览表如表1所示。

表1 国内主要中深层地岩热示范工程一览表

2.2 中深层地岩热供热技术经济性

采用中深层地岩热供暖技术，一次性初始投资略高，但后期运行成本较低，全系统每平方米供热面积投资230～260元。根据相关示范工程的应用经验，全采暖季（150天）运行费用最低0.9元/（月·m2），最高2.3元/（月·m2）［电价按0.5元/（kw·h）计算］。以10万m2建筑计算，若采用中深层地岩热供热系统，按现行北方取暖收费标准，每年相比集中供热可节约费用150万元以上，且建筑规模与供热能力匹配程度越高、智能控制技术越适用，建筑本体节能效果越好，单位面积初始投资费用就越低。

2.3 中深层地岩热技术发展趋势

2.3.1 U型对接地热井系统

U型对接地热井系统与同轴套管换热方式类似，只取热不取水，采用水平井与直井对接的方式，冷水进水平井，热水从直井出，此种方式水平段有效增加换热面积，同时换热量较同轴套管大幅增加。陕西煤炭地质集团已经成功完成2组U型地热井的钻探工作，井下对接技术工艺在地热行业中尚属国内首创，但U型对接地热井系统缺乏相应的理论研究，换热效率及井筒温度场变化规律等有待进一步研究。

2.3.2 CO2热管开采技术

热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温端传输到低温端。热管具有较高的传热性能和优良的等温性能等特点。CO2热管开采技术的突出特点是将CO2地质封存与热管采热相结合，在压裂后的热储中注入CO2工质，继而利用热管内流体工质的蒸发—凝结相变过程将热储中的热能传输至地面。与较常规流体介质（如水）相比，CO2具有更好的热膨胀性能，在相同的温度差下可以获得更大浮升力/沉降力；
同时CO2的黏性系数也小于水，在相同的压力差下可以获得更大的渗流速度。在深层干热岩对应的环境条件下CO2工质处于超临界状态，采热过程中热管附近工质温度的下降会在热储中形成较强的自然对流作用，从而达到提高热管采热率的目的。选择重力热管内流体工质时，工质的工作温度是最主要的考虑因素。当热管工质为蒸馏水时，工作温度区间为30～250 ℃，十分符合高温岩热型地热资源的温度范围，因此可以采用蒸馏水作为管内流体工质。

2.3.3 构建多能互补的区域能源系统

多能互补分布式能源系统是指可包容多种能源资源输入，并具有多种产出功能和输运形式的区域能源互联网系统。它不是多种能源的简单叠加，而是在系统高度上按照不同能源品位的高低进行综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理的能源利用效果与效益。

中深层地岩热具有稳定可靠、绿色低碳的特点，作为区域供能系统中的基础热源，可与其他多种清洁能源构成多能互补的供热系统，如与太阳能、空气源热泵、浅层土壤源热泵、天然气锅炉、水热型地热能等构成多能互补的供能系统，可满足全年生活热水、供热、制冷的需求，同时可减小中深层地岩热系统的设备容量，降低初期投资，系统运行期间设备利用率提高，能效也随之提高，具有良好的经济性。

3.1 清洁能源开发与利用

高效开发利用清洁能源是推进能源转型、能源革命，实现碳达峰碳中和的根本路径。2012年，宁夏成为全国首个新能源综合示范区，截至2021年，其新能源累计装机达2 574万kW，占发电总装机容量的43%，新能源电力消纳比重达21.43%，居全国第二。2020年，习近平总书记视察宁夏时赋予宁夏建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区的时代使命，同年宁夏将清洁能源作为九个重点产业之一，并提出推动地热能开发利用，重点开发浅层、中深层地热能。因此，地热能的开发利用在宁夏地区有着优良的产业环境。

3.2 地热资源的分布及特点

中深层地岩热的开发主要基于地温梯度原理，地温梯度指地球不受大气温度影响的地层温度随深度增加的增长率。地温梯度随地质构造、地理环境等呈不同变化。宁夏回族自治区地处高原与山地交错带，大地构造复杂，从西面、北面至东面，由腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙地相围，南面与黄土高原相连；
地形南北狭长，地势南高北低，西部高差较大，东部起伏较缓[4]。

宁夏回族自治区的地热资源，得到充分开发利用的地区主要处于银川盆地。中国大陆整体的平均热流值为63 mW/m2，地温梯度一般为3.0 ℃/100 m。银川盆地带属于热区，平均热流值为66 mW/m2，区域地质资料相关文献数据显示，其地温梯度明显偏高，一般为3.2 ℃/100 m。本区热异常主要来源于地层深部地热增温及沿断裂构造的热水上移对流。由于基底岩层和盖层的热导率差异较大，形成了侏罗系基底突变增温的异常特征，使得中深层地岩热技术具有良好的开发利用基础条件。银川盆地内各地区低温梯度如图3所示。

图3 银川盆地地温梯度变化示意图

3.3 相关政策支持

2021年9月，国家发展改革委、国家能源局等8部委印发《关于促进地热能开发利用的若干意见》（国能发新能规〔2021〕43号），明确了发展目标和重点任务：到2025年，地热能供暖（制冷）面积比2020年增加50%；
到2035年，地热能供暖（制冷）面积及地热能发电装机容量力争比2025年翻一番[5]。

2022年9月，宁夏回族自治区人民政府办公厅印发的《宁夏回族自治区能源发展“十四五”规划》（宁政办发〔2022〕65号）明确提出：积极推进可再生能源供暖，利用热泵等技术积极推广浅层地热能供暖，重点在银川平原探索开展中深层地热能供暖[6]。

2022年10月，中共宁夏回族自治区委员会和宁夏回族自治区人民政府印发的《宁夏回族自治区碳达峰实施方案》（宁党发〔2022〕30号）明确提出：“鼓励大力发展新能源，积极推广浅层地热能供暖，探索开展中深层地热能供暖”“积极发展地热能供暖，因地制宜开展浅层、中深层地热能开发利用”[7]。

以上政策，对中深层地岩热技术在宁夏地区尤其是银川盆地的推广应用起到了强有力的支持作用，结合宁夏地区的地热资源特点，中深层地岩热技术将对宁夏地区清洁供热、能源结构体系调整、“双碳”目标的实现发挥积极的作用。

中深层地岩热技术作为地热能开发利用的主要技术之一，具有诸多优点。宁夏地区尤其是银川盆地，地质结构稳定、地温梯度较高，非常适合中深层地岩热技术的应用。宁夏回族自治区清洁供热、能源发展规划、“双碳”目标实施方案等相关政策的发布，对中深层地岩热技术在该地区的推广应用具有很强的引导作用，同时中深层地岩热技术的应用对于区域能源结构调整、特色城市的打造等具有很好的支持作用。

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