雄安动车所地热能供暖方案研究

1 工程概况

雄安动车所位于河北省保定市雄县政府正北方向,直线距离约2 km,距离雄安站约5 km。雄安动车所房屋建筑面积61 268.23 m2,包含27个单体,供暖面积59 057.51 m2,总热负荷5 756.22 kW。目前,雄安动车所利用雄县地方市政地热能供暖,动车所内设置1座换热站。基于雄县区域地热资源条件,地热井出水温度65℃,单井出水水量120 m3/h,供暖能力为 2 500 kW,动车所共配备6口地热井,形成三采三灌模式。 动车所换热站由2个热源提供热量,当2个热源由一次网接入换热站后,先在集水器中汇合,再通过换热器与二次网换热,最后再通过分水器分别回到2个一次网回路,2个一次网支路的管径分别为DN350和DN200。动车所地热供暖管线示意图见图1,换热站供热原理示意图见图2。

2 雄安新区地热资源分析

2.1 地热资源情况

雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷内,主要构造单元有牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起、霸州凹陷、保定凹陷、徐水凹陷等。分布有牛驼镇地热田、容城地热田和高阳雄安新区位于渤海湾盆地冀中坳陷内,主要构造单元有牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起、霸州凹陷、保定凹陷、徐水凹陷等。分布有牛驼镇地热田、容城地热田和高阳

1)雄县中深层地热资源情况

雄县县域大部位于华北地区最大的整装地热田———牛驼镇地热田覆盖范围内,主要热储资源为牛驼镇地热田的蓟县系雾迷山组碳酸盐岩岩溶热储、新近系砂岩热储;在县域东部属霸州凹陷的范围内以新近系砂岩热储为主。

目前雄县主要开发利用的热储资源是县域中西部牛驼镇地热田范围内的蓟县系雾迷山组碳酸盐岩岩溶热储,地热资源具有五大突出特点:一是面积广,基岩热储面积320 km2,占牛驼镇地热田总面积的50%;二是储量大,地热水储量达8.23×101 1m3;三是埋藏浅,热储埋深500~1 200 m,便于开发利用;四是温度高,出水温度为55~86℃;五是水质优,地热水为氯化物碳酸钠型热水,矿化度为500~ 2 000 mg/L。

经测算,雄县4 000 m域内中深层地热资源可采资源量48.39亿GJ,相当于1.65亿t标准煤。

2)容城中深层地热资源情况。

容城县地热资源条件良好,县域内发育有容城地热田, 热田面积185 km2,属中型地热田。热储层主要为蓟县系雾迷山组碳酸盐岩岩溶热储。容城开发利用该热储层,钻井深度1 600~2 100 m,井口水温为50~63℃,水量为 100~130 m3/h,水化学类型多为氯化物碳酸氢钠型,矿化度一般为2 000~3 000 mg/L,矿化度低、水质好。

经测算,容城4 000 m域内中深层地热资源可采资源量22.39亿GJ,相当于0.76亿t标准煤。

3)安新中深层地热资源情况。

安新县位于渤海湾盆地冀中坳陷高阳低凸起北端、与牛驼镇凸起的交接部位。因此,安新县北部的乡村区与雄县城区的地热资源相类似,而安新县县城区及其以南的乡村区则与高阳低凸起的地热资源相近。

安新县县城区发育的主要热储层系为蓟县系雾迷山组碳酸盐岩岩溶热储、新近系馆陶组和明化镇组砂岩孔隙热储。预计明化镇组砂岩热储底板埋深1 200~1 600 m,井口水温为40~55℃,单井水量40~60 m3/h;馆陶组砂岩热储底板埋深为1 600~2 200 m,井口水温为50~75℃,单井水量为60~80 m3/h;雾迷山组岩溶热储顶板埋深为 3 000~3 500 m,井口水温为95~120℃,单井水量为60~ 80 m3/h。

经测算,安新县4 000 m域内中深层地热资源可采资源量71.41亿GJ,相当于2.43亿t标准煤。

4)浅层地热资源情况。

根据中国地质调查局开展的第一阶段雄安新区地质调查,雄安新区浅层地热能开发利用条件适宜,浅层地热能利用适宜选择地源热泵形式,布置1眼深度100 m左右的换热孔可满足50~60 m2建筑面积的供暖制冷需求。综合利用地源热泵系统供暖制冷,起步区可满足3 000万m2建筑面积,全区可满足约1亿m2建筑面积,但布置换热孔需占用非常大的地面空间。

地温梯度最大的区域位于雄县东南部,牛驼镇凸起地温梯度最高为8.0℃/100 m。其他地区一般3.0~4.0℃/ 100 m。牛东断裂以东小于2.5℃/100 m。雄安新区地温梯度等值线图见图4。

2.2 技术路线

为保证资源的可持续开发利用,根据资源品性,应按照 “因地制宜、间接换热、梯级利用、采灌均衡”的原则及思路, 最大限度地提取地热水中热量,并将热利用后的地热水通过回灌井同层回灌,科学开发地热资源,确保资源的可持续利用。

3 供能方案研究及技术经济比选

以车站、办公等公共建筑冬季集中供热为主要功能需求,按照雄安新区的资源、气象条件,目前技术成熟、实施性强的供能方式主要有:中深层水热型地热、燃气锅炉、空气源热泵。各种供能方式主要特点如下。

3.1 中深层水热型地热

适用于资源丰富,回灌条件良好,建筑布置较为集中的区域;适用于散热器、风机盘管、地板辐射等末端。

中深层地热采用换热器换热(结合热泵机组供冷)梯级利用的方式提取地热水中热量,为用户冬季供热,热利用后地热水通过回灌井重新注入地层,达到采灌均衡的可持续开发模式。如有供冷需求可利用供热用的热泵机组结合浅层地热,按照需要量及冷热均衡搭配浅层地热、冷却塔和冷水机组为用户端夏季制冷。

主要投资内容为中深层地热、热源输送管线、设备机房、供配电设施。目前雄安新区范围内已建成中深层水热型供热项目720万m2。

3.2 燃气锅炉

适用于有充足燃气气源,有供热需求,且用户布置集中的区域;适用于散热器、风机盘管、地板辐射末端。 通过燃气锅炉加热供暖回水温度,为用户端冬季供热。 主要投资内容为燃气锅炉、锅炉设备房。目前燃气锅炉供热因“气代煤”等政策影响在全国范围内大量应用。

3.3 空气源热泵

适用于电力充足、有充足的机组布置场地、冬季空气湿度较低的项目。利用空气源热泵提升冬季室外低温空气中低品位热能至较高品位,为用户端冬季供热。主要投资为空气源热泵机组、供配电设施。

4 案例分析

本文以雄安动车所为例进行分析,动车所以中深层地热为供能方式,接引雄县地方市政地热能供暖,由某地热能开发公司负责运营管理,动车所内设置1座换热站,京雄城际铁路于2020年12月开通运行,动车所同步投入使用,截至2022年5月,已经历2个供暖季。

初次运行,经过长达1个月的热网系统调试,宿舍楼等生活用房室内温度能达到18~21℃,检查库等生产用房室内温能达到15~19℃。达到设计温度,供热效果良好,能满足正常生产生活需求,第2年运行情况稳定,经回访,对整体供热效果满意。

采用此种方式供能,每年热费相较于燃气锅炉低,而且规避了燃气锅炉排放环保不达标的风险,克服了采用空气源热泵方式电力不足、能效低的缺点,使供能和用能单位实现共赢。

5 结束语

以上3种供能方式均为当前清洁能源的主要利用方式,能满足雄安新区绿色低碳的发展要求。3种供能方式运行耗水、人工等费用接近,但适用范围、初投资、耗电、耗气、能效比差异较大。

各种冷热供能方式具备不同的适应性及特点,任一供能方式均不能完全满足雄安新区的区域热(冷)用能需求,因此不应依靠单一供能方式解决新区用能需求,应建立综合能源供给方式,提高供能灵活性、能效比及稳定性等,同时提升供能方式的技术、经济可行性且具备长远的环境效益。 结合雄安新区的总体规划与资源条件,新区内地热资源条件优良,同时回灌技术已发展成熟,建议新区以中深层地热为主,以燃气、浅层地热、再生水(污水)、空气源热泵为辅,同时搭配太阳能、各类余热等清洁供能为补充,建立综合冷热供能解决方案。