天津大学环境科学与工程学院 杨筱静，由世俊，张欢
摘要
内蒙古宁城县具有丰富的地热水资源，但是目前宁城地区地热水利用水平较低且没能综合利用。为提高地热水资源利用效率，使地热资源充分合理的利用，本文结合宁城旅游度假区采暖供热系统设计，提出了将地热水三级梯级换热分别满足不同的供热采暖系统形式，同时利用地热尾水热泵作为调峰热源满足供热负荷需求，此外还有一部分地热尾水供温泉洗浴、温室种植和温水养殖。该方案与传统燃煤锅炉供暖方式相比具有显著的环境效益和经济效益，此外该方案采用梯级换热、地热尾水热泵调峰、新建用户低温地板辐射采暖，部分地热尾水用于温泉洗浴等，使地热水资源被充分利用，提高了其热量的利用率。 关键字 地热水资源，梯级利用，地热尾水热泵，调峰热源，综合利用
1 研究背景
中国地热能利用在近些年快速发展，年增长率达到约14.5%。地热作为绿可再生能源，在天津、北京等地发展迅速，主要用于供暖、洗浴、花卉、种植、水产养殖等[1]。
内蒙古宁城县地热温泉水资源丰富，具有水量大、温度高、水质好等特点。其分布面积约0.5平方公里，热水日动储量1400～2100m3，中心孔口泉水温度高达99℃，流量约为6000 m3/d，是全国水温较好、储量可观的地热异常区[2]。经勘查，该地区地热水水质卫生检测结果如表1所示，其中含有的主要化学物质对人身有较好的浴疗作用，是天然的优质矿泉浴疗水。
表 1 宁城地热水水质卫生检测结果表
度 | ＜5 | 砷mg/L | ＜0.01 |
浊度（NTU） | ＜1 | 铅mg/L | ＜0.01 |
臭和味 | 无异臭异味 | 铜mg/L | ＜0.003 |
肉眼可见物 | 无 | 铁mg/L | ＜0.006 |
PH值 | 7.8 | 锰mg/L | ＜0.003 |
总硬度（CaCO3） | 58 | 锌mg/L | ＜0.05 |
溶解性总固体mg/L | 664 | 铬（六价）mg/L | ＜0.004 |
硫酸盐mg/L | 68 | 汞mg/L | ＜0.001 |
硝酸盐（以N计）mg/L | 3.2 | 氯化物mg/L | 49 |
氟化物mg/L | 1.5 | 耗氧量mg/L | 1.5 |
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宁城县属于半干旱大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，其年采暖季为从每年的10月中旬到转年的4月中旬，历时约6个月，宜采用集中供暖。因此，热水旅游度假区的地热资源除可用于温泉、养殖和种植外，还可以用来供热。
但是，目前宁城地区地热利用只限于低水平，是个体经营者利用自身浅地热井中的热水，泵入散热器系统经暖气片循环供暖，共约5万m2。这些个体浅井很难管理，且资源没有充分利用。有的地热井水温高，而又不采取综合利用方式，采用放热措施，降低水温，形成简单的单一洗浴使用，同时又将水灌回井中（没有过滤），会导致局部污染。地热资源是国家立法鼓励开发和保护的可再生能源，应合理控制开采量，采用梯级、综合、高效利用新技术，提高资源利用率。具备回灌条件的采用回灌开发模式，以保护地热资源的长期可持续利用。
2 项目概况
宁城热水旅游度假区位于宁城县八里罕镇东南部，该中心区位于原热水镇镇区，规划地块总面积约为1.55平方公里。该区域总建筑面积约为30万m2，其中现有建筑面积约为15万m
2。此外，种植、养殖采暖用户共约5万m2。其采暖热负荷及采暖系统形式、供热参数如表2所示。
表 2 宁城采暖热负荷估算表
序号 | 项目 | 建筑面 积m2 | 采暖负 荷kW | 供热系统 | 供热参数 |
1 | 现有住宅热用户 | 140000 | 8000 | 无线投票系统散热器采暖 | 80/60℃ |
2 | 现有酒店热用户 | 10000 | 800 | 空调采暖 | 55/45℃ |
3 | 新建住宅热用户 | 150000 | 6000 | 地板辐射 | 50/40℃ |
4 | 地热扶贫基地种植热用户 | 26700 | 3000 | 地板辐射 | 50/40℃ |
5 | 地热扶贫基地养殖热用户 | 26700 | 1000离线语音识别方案>空气太阳能 | 散热器采暖 | 80/60℃ |
6 | 合计 | 353400 | 18800 | |
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基于宁城丰富的地热水资源和该旅游度假区的用户供暖形式，本项目拟采用通过综合开发、梯级利用该地热水资源满足不同采暖用户需求。此外，由于该区地热水属于医疗矿水，
对人身体有浴疗作用，因此根据该旅游度假区的情况，可以考虑用其温泉洗浴、供应生活热水、温水养殖和温室种植。这样可以使地热资源发挥出最大的效益。
3 地热综合利用方案
3.1 地热井参数选取
地热资源利用量直接依赖于该地区地热资源的储量，只有根据地热资源的储量开展地热能利用，才能使地热资源真正成为可再生资源，才能避免对地热资源的掠夺式、盲目式开采。根据《宁城地热资源综合开发利用子项目预可行性技术分析报告》，甲方计划开凿地热井两眼，地热水水量6000m3/d，水温95℃。
3.2 地热方案温泉供水量
该项目地热水属医疗矿水命名硅水；氟含量5.0～22.5 mg/L，属医疗矿水命名氟水，它们具有显著的医疗效果。考虑到该地区的地热水水质和该地区的温泉使用情况，规划利用换热后48℃热水1200m3/d，供应集中使用的洗浴医疗和游泳休闲会所等单位，也用于分散的
住户温泉供水；规划利用48℃热水800m3/d，用于温水养殖和温室种植高档蔬菜和花卉，最高小时热水供应量约为60m3/h。
以上两项使用过的热水，水质已变化，不能用于回灌，收集起来，经处理后用于热水河和汤后河筑橡皮坝蓄水造景。
3.3 供热方案确定
前面所述，利用资源储量确定的地热开采量为水量6000m3/d，水温95℃，如果单纯利用地热水能供热，地热水回水温度为48℃时，只能提供13600kW的热量，而供热站设计热负荷总计18800kW，地热水换热产热量仅为供热站设计热负荷的72%。如果要实现通过地热综合利用对区域、采暖供热的目标，必须设置调峰热源。调峰热源的有效放热量应为5200kW。
此外，考虑到该区地热水水温较高，为充分利用地热资源、提高供热效率，本项目根据上述的不同供热系统方式、供热参数及供热负荷，确定采用三级梯级换热方式进行供热。
根据表2提供的热负荷及供热参数，确定三级换热后地热水的回水温度，分别为63℃、60℃和48℃。
3.4 调峰热源方案优化选取
扎胎器调峰的目的，其一是为了在地热水量一定的条件下，扩大地热供热面积；其二是为了提高地热利用率，增加经济效益。考虑到调峰热源应能快速启停，容易调节，下面就燃油锅炉和地热尾水热泵两种调峰热源进行比较，综合比较结果如表3所示。
通过比较，虽然热泵调峰方案设备初投资高于燃油锅炉房调峰方案，但运行费用每年比燃油锅炉节约183万元，用资金静态分析估算，项目实施一年就可以弥补初投资上的差异。而且，利用热泵最重要的优势是比燃油锅炉调峰方案提高地热利用率55%，节能效益显著。因此，通过对比优化选择后，本项目确定地热尾水热泵为调峰热源。
调峰方案综合比较表 表3
厨房纸巾架
序号 | 调峰方式 比较项目 | 燃油锅炉调峰方案 | 热泵调峰方案 |
1 | 利用能源种类 | 轻柴油 | 电能 |
2 | 供热能源品位损失情况 | 1000℃以上燃烧产物加热80-70℃热水 | 加热成50℃热水 |
3 | 能源效率 | 燃油93% | COP为3.7 |
4 | 设备初投资 | 127万元 | 低噪音风机箱309.5万元 |
5 | 一个采暖季调峰运行费 | 495.35万元，折合为14 元/m2 | 312万元，折合为8.8元/m2 |
6 | 制冷用途 | 无法用于夏季制冷 | 可用于夏季制冷供空调 |
7 | 消防要求 | 对消防要求标准高 | 对消防要求标准低 |
8 | 对地热利用率的影响 | 100% | 比燃油锅炉调峰方案提高地热利用率55%，节能效益显著 |
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3.5 地热供暖换热方式选取
地热水供水系统形式可分为间接供水系统和直接供水系统两种。前面所述，宁城地下热水属硫酸钠水质类型，水质有一定腐蚀性，而且本项目供热范围广，供热面积大供热参数种类多，为了保护供暖系统免受腐蚀和系统，本工程拟采用经换热器传热的地热间接供暖系统。考虑温度对腐蚀性强弱的影响，换热器材质选择：一级换热器采用钛板换热器，二级、三级分别采用SMO材质换热器。
综上所述，宁城县旅游度假区地热水资源综合利用方案流程图如图1所示。从两眼地热取水井取出的90℃地热水，经过一级钛板换热器换热供散热器采暖系统后温度降至63℃进入二级SMO材质换热器供空调采暖系统，地热水水温降至60℃后进入三级SMO换热器供新建地板辐射采暖系统降至水温48℃，其中1/3的地热水用于温泉洗浴、温水养殖和温室种植，2/3的温泉水经过四级SMO换热器供地热尾水热泵做调峰热源，地热水水温降至22℃后回灌。
图1 宁城旅游度假区地热水资源综合利用方案及热负荷分配流程图
4 结语
（1）采用地热水资源代替传统燃煤锅炉供暖的方式，每年可减少向大气排放：二氧化硫排放量187000kg，氮氧化物排放量66000kg，二氧化碳26048000kg，煤尘量排放量88000kg，可节约环境保护治理费用303.93万元，节能效益、环保效益及经济效益十分显著,符合国家节能减排的大政方针。
（2）采用三级梯级换热方式供热采暖，降低地热水回灌温度，提高地热水资源利用效率，使地热水资源的热量充分利用。新建用户采用地板辐射采暖供热方式，降低供热水温度，提高供热效率及地热水利用率。
（3）采用地热尾水地源热泵作为调峰热源，使地热排水温度进一步下降。这样在一定地热水量的条件下，增加了供热负荷和供热面积，而且提高了地热水利用效率，与燃油锅炉调峰方案提高地热利用率55%，节能效益显著。
参考文献
[1] 中国地质调查局水文地质环境地质部.我国地热资源及其开发利用现状[R].北京：中国地
质调查局
[2] 宁城地热资源综合开发利用子项目预可行性技术分析报告[R].
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