1 項目概況

某公司投資建設的科技園項目總占地面積約7.2 hm2(108畝），規劃16棟樓，建筑面積約1.5×105m2，供熱面積約1.14×105m2，總熱負荷7 000 k W。原規劃采用天然氣鍋爐供熱，但冬季供熱時，天然氣價格最高可達4.9元/m3，年運行成本高。項目所在區域位于太原盆地西溫莊隆起，地熱資源豐富。因此，計劃采用中深層地熱替代原規劃的天然氣鍋爐供熱，以大幅降低供熱費用。

2 中深層地熱能稟賦條件

2.1 構造概況

太原盆地自北向南排列為城北凹陷、三給地壘、城區凹陷、親賢地壘、晉源凹陷和西溫莊隆起6個構造單元。本項目擬建井位于太原盆地西溫莊隆起。

2.2 地層概況

本項目所在區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、奧陶系下中統和寒武系上中統等地層組成。

2.3 地熱資源形成條件分析

已有的區域實鉆資料表明，項目所在區具備良好的地熱地質條件，熱儲層巖性為奧陶系、寒武系碳酸鹽巖，主要表現如下。

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。奧陶系中統峰峰組頂板埋深600～1 800 m，其上蓋層厚度較大，分布比較穩定，隔水、隔熱性能良好，具備良好的蓋層條件。

2）熱儲層。熱儲層主要為古生界碳酸鹽巖地層，即奧陶、寒武系灰巖，尤以中奧陶統、中寒武統發育最好，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，傳熱方式以熱傳導為主。據山西大地熱流值分布資料，中部各盆地大地熱流值1.7 HFU（熱流值單位），而山區普遍小于1.3 HFU。區域熱流值高，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。西溫莊地熱田西側、北側斷裂形成的破碎帶，均具有導水作用。斷裂縱橫交錯，彼此連通，將地下熱水經深循環對流作用，沿構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的大氣降水，經斷裂帶及層中的巖溶縫隙相互溝通。

2.4 流體物理化學特征

地熱水化學類型為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、水量預測

通過收集查閱本區域相關地質資料和了解附近地熱項目情況，收集調研的資料顯示，該區域附近地熱井的水量在100 m3/h以上，井口水溫在60℃以上，最高達到74℃。

3 項目熱負荷

3.1 熱負荷分析

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

3.2 平均熱負荷

根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網設計標準》，計算該項目采暖期采暖平均熱負荷。采暖期平均熱負荷計算式為：

式中：Qh,a為采暖期采暖平均熱負荷的數值，單位k W;Qh為采暖設計熱負荷的數值，單位k W;ti為室內計算溫度的數值，單位℃；ta′為采暖期除去最冷5 d后平均室外溫度的數值，單位℃；to,h為采暖室外計算溫度的數值，單位℃；N為采暖時間的數值，單位d。

本項目設計熱負荷為7 000 k W，室內溫度設計為18℃，供熱時間為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℃，則該項目采暖期采暖平均熱負荷為4 859.09 k W。

3.3 全年耗熱量

年耗熱量由式（2）計算：

式中：Qha為全年耗熱量的數值，單位GJ。

項目平均熱負荷為4 859.09 k W，則該項目年耗熱量為62 959.68 GJ。

4 熱源建設方案

4.1 熱源方案

4.1.1 生產井數量的確定

根據地熱資源分析，項目所在區域有豐富的地熱資源，可采用地熱作為熱源。設計地熱井深2 450 m，地熱井單井出水量105 m3/h，井口溫度65℃。

小區末端采用風機盤管，設計供熱供回水溫度為45℃/40℃。按照尾水回灌溫度15℃計算，地熱水直供可提供負荷Q1=105×1.163×（65-42)=2 808.65 k W，熱泵COP (Coefficient Of Performance，能效比）按4.0計算，熱泵可提供負荷Q2=105×1.163×（42-15）×4÷3=4 396.14 k W，因此，單井可提供負荷為Q=2 808.65+4 397.14=7 204.79 k W。根據熱負荷分析，項目需要的地熱井口數n=7 000÷7 204.79=0.97口，因此需生產井1口。由以上分析可知，該地熱井熱源富裕，可滿足項目的供熱需求。

4.1.2 回灌井數量的確定

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”的模式進行回灌，因此需新建回灌井1口。

4.2 換熱站設計

4.2.1 工藝流程

該項目利用地熱水作為供熱熱源，冬季提供45℃/40℃采暖熱水。系統設置1口生產井。項目供熱系統不分高低區，采用“板換直供+熱泵機組調峰”的方式為項目供熱，當室外溫度較低時，板式換熱器直供，直供無法滿足熱負荷需求時，開啟熱泵機組調峰以滿足總熱負荷要求。具體流程為：地熱水首先經過一級板換，板換一次側供回水溫度65℃/42℃，二次側供回水溫度45℃/40℃。經過一級板換后的地熱水溫度降至42℃，一級板換出來的地熱水經過二級板換再次提取熱量，溫度從42℃降到15℃；二級板換二次側出水溫度21℃，進入熱泵機組經蒸發器換熱后，溫度降到13℃。地熱水通過二級換熱后，通過熱泵機組的提升作用，冷凝側產生45℃/40℃的熱水供末端風機盤管系統。

4.2.2 主要設備選型

從工藝原理圖看，該項目主要設備為潛水泵、熱泵機組、循環水泵、板式換熱器、軟化系統、回灌過濾裝置等。

4.2.3 地熱尾水處理

由于礦化度、溫度、政府政策管控等原因，需對地熱尾水進行同層回灌處理，實現地熱尾水的全部同層回灌。因此，在換熱站內設置地熱尾水回灌過濾裝置，過濾管道及系統殘留的直徑相對較大的顆粒，防止回注地熱水堵塞地熱水儲層。

5 供熱效果分析

在該項目投入運行后，進行了換熱站站內運行數據的監測和供熱用戶端室內溫度參數入室測量，詳細記錄了一個供熱季的參數。根據項目的運行日報表，即11月1日至次年3月31日的運行報表，供熱用戶端的室內溫度維持在20℃以上，供熱效果良好。

6 效益分析

6.1 經濟效益分析

項目建設投資為1.529 8×107元，按照30年運行期測算2種方案的總費用，總費用包含項目投資費用和30年運行費用。中深層地熱方案總費用6.908 98×107元，天然氣鍋爐方案總費用1.818 636×108元，中深層地熱方案相比于天然氣鍋爐方案可節省費用1.127 738×108元。該項目隨著運行時間的增長，經濟效益愈發顯著。

6.2 環保效益分析

本項目實施可以降低環境污染，減少CO2、SO2的排放，同時可減少煙霧、粉塵等污染物的排放。項目運行后，年節約標煤量約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 結論

1）項目區域地熱資源豐富，地熱開發利用符合國家、地區產業政策導向和戰略要求。

2）本項目采用中深層地熱供熱方案，設計2口地熱井，井深約2 450 m，一采一灌。采用“板間接換熱+熱泵機組梯級利用”的工藝流程，為項目冬季供熱。

3）本項目與天然氣鍋爐供熱方案相比，在30年運營期內，總計可節約費用1.127 738×108元，經濟效益顯著。

4）本項目的實施還具有良好的環保效益和社會效益。項目運行后，年節約標煤量約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。