一、項目基本情況

項目名稱(chēng)：通渭縣姜家灘小學(xué)中深層無(wú)干擾地熱能供暖項目

建設規模：項目建設無(wú)干擾地巖熱換熱（井）孔 2 口，地巖熱換熱孔有效深度約1250m；安裝換熱器 2 套，地巖熱機組 1臺等。項目總供熱面積 14697 ㎡，熱負荷 840.19kW，供熱建筑包括小學(xué)綜合樓、教學(xué)樓、食堂、廁所、大門(mén)、教研樓，以及附屬幼兒園綜合樓、活動(dòng)樓。

建設投資：項目屬定西市通渭縣2017 年全面改薄項目?？?a href="http://www.yg06.cn/t/投資.html" >投資金額為 444.10萬(wàn)元，其中申請專(zhuān)項資金 95 萬(wàn)元，其余 349.1萬(wàn)元由當地財政支付。當地年供暖期為 5 個(gè)月，前期建設和后期運行成本約 0.9 元/㎡·月。

運行時(shí)間：項目于2019 年 11 月建設完工并投入使用。截至 2024 年 1 月，已運行 4個(gè)供暖季，正在運行第 5 個(gè)供暖季。

所在地概況：通渭縣位于甘肅省中部，定西市東側，介于東經(jīng)104°57～105°38'、北緯 34°55'～35°29'之間。境內有豐富的地熱資源。項目地通渭縣平襄鎮于嚴寒 C區，年均氣溫 5.7～7.7℃。姜家灘小學(xué)地處縣城郊區，周邊沒(méi)有市政集中供熱管網(wǎng)。為實(shí)現冬季正常供暖，經(jīng)對比研究，本工程項目利用中深層地巖熱技術(shù)供暖。

二、技術(shù)路線(xiàn)及工藝流程

1.負荷情況

本項目主要包括通渭縣姜家灘小學(xué)綜合樓、教學(xué)樓、食堂、廁所、大門(mén)、教研樓，以及第六幼兒園的教學(xué)樓和教研樓，總供熱面積約1.4 萬(wàn)㎡，總供熱負荷 840.19kW。

從建筑氣候分區上通渭縣屬于嚴寒 C 區（1C），年均氣溫 5.7～7.7℃，建筑物內設置供暖設施，供暖末端為散熱器，各房間室內溫度滿(mǎn)足國家規范要求。校園工程的供暖要求與學(xué)校的作息時(shí)間密切相關(guān)，負荷變化較大，人員密集、集中，行動(dòng)統一，具有明確的間歇性使用特點(diǎn)。本項目?jì)H在正常學(xué)習時(shí)間供暖，即一周5 天供暖周末雙休日不供暖、節假日不供暖，且學(xué)生放學(xué)后晚上不供暖，在非供暖期間，系統達到防凍要求即可。

2.技術(shù)路線(xiàn)

1）技術(shù)思路

中深層無(wú)干擾地熱能供暖技術(shù)利用地層中普遍存在的地溫梯度，向地下一定深處巖層鉆孔，在鉆孔中安裝封閉循環(huán)的換熱裝置，通過(guò)專(zhuān)用設備系統向建筑物供熱。技術(shù)思路是將軟化水注入換熱裝置，通過(guò)換熱裝置將地下深處的熱能導出，再通過(guò)地上專(zhuān)用設備系統持續穩定向建筑物供暖，與冷卻水塔等冷源端結合后，還可實(shí)現夏季空調制冷，運行示意圖如圖1、圖 2 所示。

1）技術(shù)特點(diǎn)

中深層無(wú)干擾地巖熱供暖技術(shù)最主要的特點(diǎn)是“井下封閉換熱，取熱不取水，對自然環(huán)境無(wú)干擾”，是《地熱能開(kāi)發(fā)利用“十三五”規劃》加強研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)不受場(chǎng)地、氣候條件制約，不占用土地，對地下水、土壤等地質(zhì)環(huán)境無(wú)影響，具有綠色低碳、安全可靠、無(wú)需市政管網(wǎng)接入、可分布式建設、運行成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，中深層地巖熱克服了淺層土壤源熱泵熱總量小、熱補償不易平衡，長(cháng)期使用易出現“熱衰減”，造成效率下降、后期運行費用逐漸增加的問(wèn)題。徹底避免水熱型技術(shù)取用地下水、100%同層回灌困難、地下水資源受到嚴格保護的問(wèn)題。

2）技術(shù)適用性

（1）空間范圍：中深層無(wú)干擾地巖熱供暖技術(shù)利用的是“巖熱型”地熱能，它存在于由地溫梯度（地層溫度隨著(zhù)深度的增加而升高，地殼平均地溫梯度為 +3℃/100m）自然形成的高溫巖土體中。由于地溫梯度是普遍存在的，因此巖熱型地熱資源也是普遍存在的，只是地溫梯度高低的問(wèn)題，無(wú)需特定的地質(zhì)勘探，其應用的空間范圍普遍適用。

（2）時(shí)間范圍：中深層地熱能主要來(lái)自地球內部的熔融巖漿，由地核經(jīng)地幔對流傳導至地表，以及地殼上部放射性生熱元素的衰變，它們都屬于普遍存在于深部巖石圈中的地球內熱能，相對于人類(lèi)目前技術(shù)能力可開(kāi)采利用的熱能量級，地球內熱的總量非常豐富。

主要研究結論為：中深層地溫恢復期為90 天，因此中深層地巖熱供暖系統的地熱井溫度在非供暖季能夠完全恢復，不會(huì )出現熱衰減現象。

數值模擬結果見(jiàn)圖 3、圖 4 所示。

3. 系統配置

1）系統構成和配置

本項目針對姜家灘小學(xué)這一特定供熱末端，利用新型可再生能源——中深層無(wú)干擾地熱能供暖技術(shù)，在通渭縣姜家灘小學(xué)中實(shí)現清潔無(wú)煤化、高效、低成本供暖。該系統主要構成包括室外地巖熱換熱系統和供熱站機房，地下換熱器采用特種鋼材制造，耐腐蝕、耐高溫、耐高壓，壽命與建筑壽命相當（不小于50 年），主機設備壽命不小于 20 年。換熱器孔徑?。?00mm），深度在 1000m 以下，對建筑地基無(wú)影響，全系統低溫低壓運行，無(wú)化學(xué)反應，系統穩定可靠、無(wú)安全隱患，且系統供熱不受氣候環(huán)境、燃氣熱力等外購能源的限制，可完全實(shí)現自主化供熱，能效比COP 值可達到 5.0 以上，運行成本較低。

室外地巖熱換熱系統配置見(jiàn)表 1，供熱站機房主要設備配置見(jiàn)表 2。地巖熱機組在冬季提供55/45℃的供暖熱水，機房面積約 60 ㎡，機房?jì)舾摺?.0m。

1）智能控制系統

項目設計和建設根據學(xué)校供熱需求特征，設計了地熱直供和機組供熱雙模式系統，日常采用機組供熱，供暖季初/末期及寒假期間采用直供模式，從而大大降低了供暖運行費用。教學(xué)期間的室內溫度保持在 18～20℃。

系統運行原理圖見(jiàn)圖 5，項目建設地實(shí)景圖見(jiàn)圖6。

為提高系統能效，降低運行費用，系統采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)結合，實(shí)現智能化控制。智能控制系統采用現場(chǎng)設備與采集終端直接通訊，采用GPRS 數據遠程傳輸的方式進(jìn)行數據采集與傳輸?，F場(chǎng)數據采集傳輸終端設備可以實(shí)現監測數據實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)在線(xiàn)，通信采用定時(shí)自報、事件加報和預測兼容的工作體制。其主要采集現場(chǎng)的溫度、壓力、流量和熱量等過(guò)程檢測信號和設備運行狀態(tài)等，實(shí)現分散數據的集中采集。測控終端按指定時(shí)間間隔定期上報監測數據，現場(chǎng)發(fā)生異常狀態(tài)，終端主動(dòng)上報告警信息，保障系統的時(shí)效性。軟件定時(shí)下發(fā)采集命令，采集現場(chǎng)所有測點(diǎn)信息，采集時(shí)鐘基準統一為計算機時(shí)鐘，保證數據同時(shí)性。用戶(hù)在需要時(shí)，通過(guò)軟件下發(fā)命令，采集指定測點(diǎn)當前數據。其結構圖如下圖7 所示：

4. 運行情況

該項目正在運行第5 個(gè)供暖季，自投運以來(lái)，系統工作穩定，運行可靠，調節靈活。截至 2023年 4 月 22日，系統前 4 個(gè)供暖季累計消耗電能 503,969kWh，電費單價(jià)約 0.5 元/kWh，電費約 25.2 萬(wàn)元，平均運行成本 0.9 元/㎡·月，遠低于市政供暖5.0 元/㎡·月。每個(gè)供暖季前15 天和結束后 20 天，每日早晨采用直供系統供熱約 3h。投運時(shí)熱源側、用戶(hù)側系統共注水 170t，正常運行后，每個(gè)供暖季補水約10t。能源消耗量及綜合能源折標量見(jiàn)表 3，總綜合能耗當量值61.95tce，等價(jià)值 151.25tce。

三、經(jīng)營(yíng)模式

本項目是定西市通渭縣2017年“全面改薄”項目，既是一項扶貧工程，也是兜底工程。項目總投資金額為444.10萬(wàn)元，其中申請專(zhuān)項資金95萬(wàn)元，其余349.1萬(wàn)元由當地財政支付。

項目設計和建設根據當地的地熱資源與學(xué)校供熱需求特征，設計了地熱直供和機組供熱雙模式系統，日常采用機組供熱，供暖季初/末期及寒假期間采用直供模式，從而大大降低了供暖運行費用。教學(xué)期間的室內溫度保持在 18～20℃，供暖成本僅為約0.9 元/㎡·月，遠低于當地市政供暖收費標準公共建筑 5.0 元/（㎡·月）；極大地節約了校方的資金，獲得了校方好評。

四、效益分析

1.經(jīng)濟效益

根據不同使用功能、不同供暖時(shí)段的建筑，制定不同供熱策略，可有效減少熱能損耗，降低運行費用。如本項目依據節假日、休息天等非正常教學(xué)時(shí)段和正常教學(xué)時(shí)段，分別制定了不同控制策略，設定地巖熱系統自控控制運行。非正常教學(xué)時(shí)段，系統低溫運行，教學(xué)時(shí)段系統按照供暖需求，正常運行，有效減少了熱能損耗，降低了運行費用。該項目若采用集中供熱，每年的供暖費用約為35 萬(wàn)元，而采用中深層地巖熱供熱系統每年僅需供暖費 6.3萬(wàn)元，每年可節約費用支出約 28.7 萬(wàn)元，經(jīng)濟效益合理。

2.環(huán)保效益

根據當地地熱資源，有針對性地設計直供系統，可有效發(fā)揮當地地熱資源優(yōu)勢，最大程度降低運行費用。如本項目學(xué)校在供暖初期和供暖末期采用直供系統供熱在滿(mǎn)足學(xué)校、幼兒園供暖需求的情況下，每天僅耗電約80kWh；與燃煤鍋爐相比，采用中深層地熱能供暖技術(shù)，一個(gè)供暖季（五個(gè)月）可節約標準煤 338t、減少 CO2 排放量約 835t、減少 SO2 排放量約 6.76t、減少氮氧排放物約 2.50t、減少粉塵排放量約3.38t，節能減排等環(huán)保效益明顯。

五、突出亮點(diǎn)

1. 本項目亮點(diǎn)

本項目采用“井下封閉換熱，取熱不取水，對自然環(huán)境無(wú)干擾”的“中深層無(wú)干擾地熱能供暖技術(shù)”進(jìn)行供暖，具有分時(shí)供熱、自動(dòng)化運行、實(shí)現無(wú)人值守、流量自平衡、節能高效、綠色低碳、運行費用低等特點(diǎn)。結合小學(xué)特定的應用場(chǎng)景，通過(guò)充分利用中深層地巖熱的技術(shù)特點(diǎn)，以及管網(wǎng)優(yōu)化實(shí)現不同時(shí)段不同區域用能的智能化控制和調度，按照區域分布式供熱方案進(jìn)行總體設計，滿(mǎn)足校園內所有建筑的供暖需求，為師生提供安全舒適的學(xué)習工作環(huán)境。

項目主要創(chuàng )新點(diǎn)如下：

（1）采用中深層地巖熱井直供系統，設計和實(shí)際運行中優(yōu)先開(kāi)啟中深層地巖熱井直供系統，可在供暖初期和末期熱負荷較低的階段滿(mǎn)足校園內供熱需求，當供熱中期和極端天氣熱負荷較高時(shí)才開(kāi)啟地巖熱主機，這樣大大降低了主機工作時(shí)間，從而降低了運行費用。

（2）輸配水力系統采用大流量、小溫差設計，樓內不再單設泵站。這樣可大大降低水力管網(wǎng)的阻力，增強系統水力的穩定，節能效果更加明顯。系統中動(dòng)力泵設備的減少，可有效降低設備故障率，進(jìn)一步提高供熱的可靠度。同時(shí)完全避免了由于樓內動(dòng)力泵低頻噪音對室內辦公、居住造成影響，舒適度也得到了很大提高。

（3）設計了以“互聯(lián)網(wǎng)+”、智慧校園等為基礎，由無(wú)線(xiàn)智能測量系統、供熱信息管理系統、智能控制調度系統組成的能源綜合管理平臺。使系統能夠更加精準地實(shí)現實(shí)時(shí)調節、調度、管理，提高整個(gè)系統對地熱資源的利用率，有效降低供熱耗能，保證了系統可靠、穩定、經(jīng)濟運行。

2. 中深層無(wú)干擾地熱能供暖技術(shù)經(jīng)驗做法

經(jīng)過(guò)近十年的技術(shù)儲備和突破，甘肅建材院已申請30 項中深層地熱技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利，編制完成中深層地巖熱供暖技術(shù)全國首部規范《中深層地巖熱供熱系統工程技術(shù)規范》DB62/T 3144-2018，已在甘肅蘭州、定西、天水、慶陽(yáng)等地建成投入使用和正在建設的中深層無(wú)干擾地巖熱開(kāi)發(fā)利用供暖（熱水）/制冷面積超過(guò) 100 萬(wàn)㎡，在地熱能開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域積累了豐富的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗。

六、問(wèn)題和建議

1.存在問(wèn)題

該項目的主要不足之處在于，由于中深層無(wú)干擾地熱能供暖技術(shù)在甘肅省的應用尚在起步階段，還需要更進(jìn)一步的研究以推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，從而使其系統更優(yōu)化、能效更高。此外，該技術(shù)的規?；瘧眠€需政府政策與資金的大力支持，以引導深層無(wú)干擾地巖熱供暖技術(shù)在全國范圍內的廣泛應用，助力能源轉型發(fā)展。

2.推進(jìn)地熱能開(kāi)發(fā)利用的建議

（1）加大政策支持。建議國家相關(guān)部委設立節能減碳等專(zhuān)項資金，對中深層無(wú)干擾地巖熱能供暖技術(shù)給予一定額度的獎補或基礎設施專(zhuān)項配套資金支持。

（2）樹(shù)立典型示范。建議在地熱利用基礎較好的河西地區和中央財政冬季清潔取暖試點(diǎn)城市選取不同的應用領(lǐng)域建設地熱能開(kāi)發(fā)利用示范縣（區），打造一批生態(tài)低碳型新能源城市典范。鼓勵政府投資項目、國有企業(yè)投資項目?jì)?yōu)先使用中深層無(wú)干擾地巖熱供暖技術(shù)。建議相關(guān)部門(mén)在評定零碳園區和綠色園區時(shí)，將清潔能源作為評定條件之一。

（3）開(kāi)展資源勘查。建議協(xié)調自然資源部研究完善地熱能勘查評價(jià)方法體系，開(kāi)展地熱資源勘查，建立完善地熱能資源大數據庫。

（4）強化技術(shù)攻關(guān)。建議設立地熱能開(kāi)發(fā)利用科技攻關(guān)專(zhuān)項，加快突破地熱能多樣開(kāi)發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)和工藝。鼓勵發(fā)展低能耗建筑技術(shù)、智慧供能控制技術(shù)等，進(jìn)一步降低地熱能開(kāi)發(fā)利用的初始投資。

（5）布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)。建議協(xié)調工信部、住建部等部門(mén)，整合國內外地熱相關(guān)企業(yè)單位，培育集勘察評價(jià)、裝備制造、建設施工、技術(shù)服務(wù)等為一體的地熱能產(chǎn)業(yè)鏈條，構建完整的地熱能體系，努力打造具有一定競爭力和比較優(yōu)勢的新型節能環(huán)保產(chǎn)業(yè)集群。