项目概况
项目位于河南省濮阳市清丰县，为棚户区改造建设工程。该住宅小区由6栋17层住宅楼和1栋3层的社区服务用房构成，总建筑面积9.39万m2，其中住宅面积9.08万m2，公共建筑面积3 100m2，采用低温热水地面辐射供暖，2012年初交付使用。由于该地区无市政集中供热管网，小区供暖热源采用户式燃气壁挂炉。经过2012年一个供暖季的运行，小区住户不满情绪强烈，一是运行费用高，一个供暖季供暖费约28元/ m2；二是存在安全隐患，采用壁挂炉供暖发生燃气泄漏爆炸的事故屡有发生。为解决这一问题，甲方委托笔者所在单位对该小区进行供热改造。
项目所在地地热资源评价
热储层特征
该地区热储层主要是新近系馆陶组砂岩层和奥陶系灰岩层。馆陶组厚度为330～380 m，顶板埋深在1 050 m左右。奥陶系揭露厚度为223～343 m，顶板埋深在2 000 m左右。为减少打井费用，降低工程初投资，该工程利用新近系馆陶组的地热资源。
地热探井数据
在小区拟建地热换热站附近打一口地热直井作为试验井，井深采用“二开”结构，取水段位于1 100～1 400 m。通过抽水试验，此地热井出水量为110 m3/h，井口温度55 ℃。
供暖方案
根据地质分析及已建试验井情况，该地区具有丰富的地热资源，地热能源开发利用属于国家发展和改革委员会《产业结构调整指导目录（2012年本）》鼓励类中第五条第10款“海洋能、地热能利用技术开发与设备制造”。该工程采用地热供暖符合国家的能源政策。
热负荷分析
该小区均为节能建筑，末端采用地面辐射供暖，住宅供暖设计热指标为40 W/m2，公共建筑供暖设计热指标为55 W/m2。供暖设计热负荷见表1。
表1 供暖面积及供暖设计热负荷统计
注：表中供暖设计热负荷已包含热网损失热量。
热源分析
根据地质分析及已建成试验井情况，该地区具有丰富的地热资源，冬季采用地热水间接换热结合水源热泵机组作为调峰热源为建筑供暖。地热能是一种无污染、可再生的清洁能源，取之不尽用之不竭；但地热水资源是有限的，过度开采或保护不当也会造成资源枯竭。地热回灌是实现地热资源开发与保护的主要措施之一，特别是一些以供暖为主要用途的地热项目，被取走热量后的地热尾水经适当处理成为很好的回灌水源。同时地热回灌对改善和恢复热储产能、维持和恢复热储的流体压力，保证地热田的持续开采具有重要的作用，并是一种避免地热废水直接排放引起热污染和化学污染的措施。所以该项目建一座从式（问题：核对）井台，一口定向井，一口直井（利用已建试验井），一采一灌，采用同层加压回灌的方式进行回灌。为延长地热井的使用寿命，两口地热井均为采灌两用，即每口井既可作为取水井又可作为回灌井，且取水点与回灌点满足水平距离大于600 m的要求。
工艺流程
换热器是保证地热间接供暖的关键设备，也是实施热源节能措施的主要设备之一。由于地热水中氯离子含量高、腐蚀性强，经对各种换热器进行综合技术性能比较，最后选定了具有以下特点的钛板板式换热器：1）钛合金对氯化物、硫化物和氨都具有较好的耐腐蚀性。2）板片薄、传热效率高、占地面积小。3）板式换热器的框架轻且容易清洗。4）板式换热器容易改变换热面积或流程组合，只需增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的，适应新的换热功能。5）热损失小，板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。6）板式换热器对数平均温差大，使得板式换热器的末端温差小，对于水水换热器可低于1 ℃。
该工程利用水源热泵机组作为备用热源，在严寒期进一步提取地热水中的热量，既可以满足严寒期的供暖热负荷，又可以减少打井数量，降低工程初投资。
该工程采用板式换热器＋电动压缩螺杆式水源热泵机组为小区供暖。供暖初、末期仅依靠地热水通过板式换热器加热小区地暖水就可以满足小区供暖热负荷的需要，供暖严寒期电动压缩螺杆式水源热泵机组作为调峰热源投入运行满足小区供暖热负荷的需要。地热供暖工艺系统图见图1。
图1 地热供暖工艺系统图
该小区末端均采用地面辐射供暖系统，设计供回水温度为40 ℃/30 ℃，供暖设计热负荷为3 802.5 kW，小区供热管网循环流量为327 m3/h。地热水流量为110 m3/h，出水温度为55 ℃。板式换热器1地热水出水侧与小区供热管网进水侧按2 ℃温差进行设计，则地热水经过板式换热器1后的温度为32 ℃，板式换热器1的换热量为2 942 kW，小区供热管网回水经板式换热器1加热后的出水温度为37.74 ℃。调峰热源即电动压缩式水源热泵机组的制热量为860.5 kW，水源热泵机组冷凝器侧进出水温度为37.74 ℃/42.74 ℃，冷凝器侧流量为148 m3/h；蒸发器侧进出水温度为20 ℃/12 ℃，此工况下水源热泵机组的制热COP为5.4，蒸发器侧换热量为701.1kW，蒸发器侧流量为75.35 m3/h。板式换热器2的换热量为701.1 kW，一部分地热水经过板式换热器2后的温度为15 ℃。一部分地热水经过换热器2的旁通管与换热器2的出水混合后回灌，地热尾水回灌温度为26.52 ℃，满足CJJ 34—2010《城镇地热供热工程技术规程》第11.0.5条地热供热尾水排放温度必须低于35 ℃的要求，且满足当地水政部门的要求。
为保证地热水侧管网的阻抗值不变，供暖初、末期运行时地热水也经过板式换热器2。从而使地热井的内置潜水泵在整个供暖季变频运行，满足系统要求。
地热站内主要设备见表2。表中板式换热器换热量考虑1.25倍的安全系数。潜水泵扬程通过抽水试验确定，加压回灌泵扬程通过回灌试验确定。
表2 主要设备
站房内系统运行所采取的节能措施：1）在地热水排水管上设1个测温点，通过排水温度变送器与地热井内置潜水泵变频器、回灌加压泵变频器组成质调节系统。当供暖系统热负荷发生变化时，系统通过控制排水温度和自动调节潜水泵、回灌加压泵的频率，最大限度节省地热水量，节约地热资源，同时减小水泵耗电量。在供暖的初、末期节能效果显著。2）在地热站内小区回水主管上设1个测温点，通过回水温度变送器与供暖循环泵变频器组成质调节系统。当供暖系统热负荷发生变化时，系统通过控制回水温度和自动调节供暖循环泵的频率，能够改变系统循环水流量，降低水泵耗电量。3）在站房外设室外温度传感器，在水源热泵进出水管路间的主管路上设电动两通调节阀，在站房内设气候补偿器等与回水主管上的温度传感器组成智能控制调峰系统。进入严寒期后，当地热井不能满足供暖要求时，智能系统开始工作。气候补偿器按设定的工作曲线，根据室外温度传感器传递的信号启动电动调节阀，使供暖水进入水源热泵机组，启动水源热泵机组进行调峰运行。调峰期间，气候补偿器根据室外温度的变化调节水源热泵机组的出力，使供暖回水温度始终维持设计温度。
该系统设计工况下的综合制热性能系数SCOP1＝3 802.5 kW÷（159 kW＋2.2 kW＋45 kW＋7.5 kW＋45 kW×2＋37 kW）＝11.16。进入严寒期，水源热泵机组尚未投入运行前，此工况下该系统的综合制热性能系数SCOP2＝2 942 kW÷（2.2 kW＋45 kW＋45 kW×2＋37 kW）＝16.89。
运行情况
经过2013年一个供暖季的运行，供暖期小区用户室内温度均在18 ℃以上，受到业主的一致好评。濮阳市严寒期较短，大部分时间系统在低于设计热负荷状态下运行，地热井＋板式换热器提供的热量可占供暖季总供热量的90％，而调峰热源地源热泵机组提供的热量仅占供暖季总供热量的10％。供暖初期，地热井井口出水温度由55 ℃降至54.5 ℃，直至供暖期结束一直维持此温度基本不变。供暖初期靠自然回灌就可以使地热尾水全部回灌，随着系统的运行，需开启加压泵进行加压回灌，且供暖期结束时需要对回灌井进行回扬洗井。
效益分析
成本分析
1 基础数据
采用直线折旧法，残值率3％。项目运营年限及设备折旧年限均为14 a。该项目建设总投资为800万元（地热井投资为420万元，占工程总投资的52.5％），其中70％为贷款，30％为自筹资金。借款偿还期10 a，等额还本，按年付息，5 a以上长期贷款利率6.55％。项目运行电价按民用电价0.56元/（kW•h）执行。
2 成本组成
该工程总成本由经营成本、固定资产折旧和财务费用三部分组成，其中经营成本由人工成本、材料成本、维修成本和动力成本组成。材料成本主要为系统补水所需的软化水费用及水源热泵机组制冷剂补充所需要的费用。维修成本主要为地热换热站内设备保养维护及配套管网维护所需要的费用。动力成本主要为地热井内置潜水泵、换热站内水泵、水源热泵机组及照明的电耗。2013—2014年供暖季总供热量为270 00 GJ/a，总耗电量约为40×104 kW•h，动力成本为22.4万元/a。该工程地热供暖成本见表3。
表3 地热供暖成本
由表3可知，地热供暖单位建筑面积总成本仅为11.89元/m2，公摊按20％考虑，套内面积地热供暖总成本也仅为14.84元/m2，比燃气壁挂炉供暖费用节省13.16元/m2，比市政集中供热收费节省4.16元/m2（濮阳市集中供暖收费为19元/m2）。
环境效益分析
以该小区采用燃煤锅炉房供暖方式为例，与该项目的能耗及排放进行对比，地热供暖的能源消耗主要为电，按火力发电煤耗进行能耗折算，以国家统计局每万kW•h电折3.27 t标准煤作为电力折算标准煤系数，地热供暖与燃煤锅炉房供暖能耗及排放对比数据见表4。
表4 地热供暖与燃煤锅炉房供暖能耗及排放对比
通过表4可知，该工程采用地热供暖与采用燃煤锅炉房供暖相比，节约标准煤1 091.06 t/a，减少SO2排放量37.39 t/a，减少NOx排放量11.67 t/a，减少CO2排放量4 471.15 t/a。
结论及建议
该工程采用地热供暖，较传统的化石燃料供暖具有极其明显的节能、环保优势，社会效益突出，在有地热资源的地区可以积极推广应用。
地热供暖的几点建议：
1）加强前期地质论证工作，提高钻井成功率。地热井投资占地热供暖总投资的50％左右，地热井钻井的成功率直接影响着工程的造价。因此，为减少地热供暖工程的初投资，做好前期地质论证工作取得必要的地质依据，提高钻井成功率是十分重要的。
2）采用地热供暖时，末端应采用风机盘管或地面辐射供暖的形式，在满足室内热负荷的前提下尽量采用较低的供水温度，提高地热资源利用率。
3）设计调峰负荷与地热利用率、调峰热源运行费用、城镇供热价格等多种因素有关，应由经济评价确定。
单纯的地热供热系统地热利用率低。由于调峰负荷的介入，地热利用率提高，使地热供热成本有下降的趋势（少打地热井）。但是增加调峰热源，要加上系统投资和燃料费用，又使供热成本有上升的趋势。所以要依据方案的经济评价确定调峰热源类型和调峰负荷占总负荷的比例。
4）切实做好地热水的回灌措施。地热资源取之不尽用之不竭，但地热水资源是有限的，过度开采或保护不当会造成资源枯竭。地热回灌是实现地热资源开发与保护的主要措施之一，同时地热回灌对改善和恢复热储产能、维持和恢复热储的流体压力，保证地热田的持续开采具有重要的作用，并是一种避免地热废水直接排放引起热污染和化学污染的措施。
