引言地热资源作为一种可再生能源，可以通过合理地开发利用，缓解能源供应紧张，改善生态环境。地热资源按照温度分为3级：高温地热资源（温度≥150 ℃）、中温地热资源（90 ℃≤温度150 ℃）和低温地热资源（温度90 ℃）[1]。赵娟[2]指出我国合理地大规模地应用地热资源，使二氧化碳排放量直接减少近500 t/a。赵仕龙[3]对某30万m2的典型住宅小区地热供暖进行经济技术分析，得出中深层地热在燃气费用较高地区具有很好的推广性，在取暖费仅为18元/m2的情况下，仍能实现9.5%的收益率。张文帅[4]采用Energy Plus能耗分析软件，对低温地热水梯级利用能耗进行预测分析，发现梯级利用方案比混水方案节能28%。刘启明[5]等对北京某地热水综合利用供热工程进行改造，增设高温热泵机组对地热尾水进行热能提升，满足厂区3#楼散热器供暖系统85%及网球馆散热器供暖系统35%的热负荷，实现地热水梯级利用。运行费用减少17.28元/m2，具有良好的经济环境效益。水环热泵空调系统由室内的小型水源热泵机组、水循环环路、辅助设备（如冷却塔、加热设备、蓄热装置等）等组成，在水源机组制热时，以水循环环路水为加热源；机组制冷时，以水为排热源。当水环热泵空调系统制热运行吸热量小于制冷运行放热量时，循环环路中的水温升高，到一定程度时利用冷却塔放出热量；反之循环环路中的水温度降低，到一定程度时通过辅助加热设备吸收热量。当水源热泵机组制热运行的吸热量和制冷运行的放热量基本相等时，循环环路中的水才能维持在一定温度范围内，此时系统高效运行。对水环热泵进行研究，运行费用比两管制风盘、四管制风盘系统分别节约10%、30%[6]。减少管道热损失，系统产生8%~15%的节能率[7]，有利于缩短设计周期，使系统布局紧凑。试验将地热资源应用与水环热泵、水源热泵结合，热泵在地热供热系统中，可以从放热后地温的地热尾水中再次取热，使地热尾水降温，达到较低的排放温度，从而实现地热资源的梯级利用。进一步优化系统能源结构，配置适量调峰热源，有效提高供暖面积、地热利用率。1工程概况本工程为天津市某综合体，总占地面积3.54万m2，地上总建筑面积共11.33万m2，其中酒店地上建筑面积4.43万m2，共10层；办公大楼地上建筑面积2.8万m2，共11层；公寓地上建筑面积4.1万m2，共11层；地下总建面3.83万m2。绿地率28.6%，容积率3.2，建筑密度37.2%，其中公寓房间38套，酒店客房373套，项目总平面图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.F001图1建筑综合体总平面图建筑综合体负荷统计如表1所示。项目采用地热水梯级利用系统，实现地热资源梯级开发、合理利用及可持续开采。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.T001表1建筑综合体负荷统计建筑建筑面积/万m2空调冷负荷/kW空调热负荷/kW卫生热水高区负荷/kW卫生热水低区负荷/kW合计11.3310 7266 6931 810406酒店4.434 7402 610614406办公2.802 6181 887——公寓4.103 3682 1961 196—2系统方案设计2.1地热条件根据区域地热勘察资料，区域内盖层地温梯度值在5.3~5.6 ℃/100 m之间，且地温梯度值在垂直向上方向呈逐渐变小趋势，基岩的地温梯度值小于盖层的地温梯度值。根据对井附近地热储层特征分析，岩性以白云岩为主，顶板埋深为1 700~2 200 m，单井出水量为80~150 m³/h，井口温度为80~96 ℃，硬度约为140 mg/L（以CaCO3计），pH值为7.77，具有轻微腐蚀性，不存在碳酸钙垢、硅酸盐垢和硫酸钙垢等。为进一步保护工艺系统及末端散热设备，采用间接供热方式。本项目开采井的开采量为84 m³/h，出水温度95 ℃，每天开采24 h，排放的总热量为4.63×1012 kJ，相当于1.29×109 kWh[8]，开采井与回灌井的合理井距为960 m。2.2地热梯级利用方案结合供暖期热负荷变化，不突破总量的前提下，适当调整开采量，合理配置资源使用，达到最优运行效果。本项目共设置1个SD-W1开采井，终孔深度为2 465 m，对应出水温度95 ℃；1个SD-W2回灌井，终孔深度为2 532 m，对应出水温度92 ℃。针对地热井流体资源品质分析，该井热流体pH值范围为7.59~7.77，地热井内流体为轻微腐蚀性水，不存在碳酸钙垢、硅酸盐垢和硫酸钙垢等，为保护工艺系统及末端散热设备，采用间接换热方式。本项目结合水源热泵梯级利用方式，引入水环热泵系统，做到分户开启，节约资源。结合项目所在地具体情况，项目采用质调节与量调节相结合的方式，将整个地热利用系统分为4级，并采用水源热泵调峰，设计调峰比例为30.5%。系统运行期间，尾水温度最低降至22 ℃，符合天津市有关规定，地热梯级利用原理如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.F002图2地热梯级利用原理本项目采用四级地热利用系统：（1）第一级用户：承担办公供暖空调系统、公寓卫生热水系统、酒店卫生热水系统。采用间接利用方式，利用后的地热尾水温度为53 ℃（一级尾水），然后进入混水罐与开采水进行混合，为第二级用户提供67 ℃的地热水。（2）第二级用户：酒店的空调供暖系统热源，地热水设计供、回水温度为67~42 ℃。采用间接利用方式，利用后的地热尾水温度为42 ℃（二级尾水），并通过与一级尾水部分混合，使二级系统的尾水达到46 ℃。（3）第三级用户：酒店的热泵系统，由于一级用户同时使用系数较小，二级用户多数时间可以采用换热器直接换热供暖，当热源不足时，可利用地热水辅助加热，即采用热泵机组提供供暖热水，实现热泵调峰功能。（4）第四级用户：公寓水环热泵加热系统，二级系统部分尾水进入第四级系统，通过换热器换热，使地热水温降至22 ℃，通过回灌井回灌至井下，完成热水梯级利用全过程。2.3地热井产热量分析系统采用质调节与量调节结合的方式，并多次混水。为保证非供暖期的地热水提供热源，供暖系统按照最大开采量89.4 m³/h进行开采，每个供暖周期总开采量不超过237 513.4 m³，结合地热井资源评价，每年总开采量应不超过272 160 m³，故非供暖期最多可开采地热水34 646.6 m³，不足的热水通过设置电热锅炉等方式进行补充，实现合理开采地热能。供暖期供热量与开采量如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.F003图3供暖期供热量与开采量2.4系统控制策略分析开采井耐热潜水泵采用变频控制，根据井泵出水口压力的实时动态调节变频器频率，实现系统运行质调节。供暖系统采用地热间接供暖和水源热泵联合供暖方式，结合公寓水环热泵系统，并采用变频循环泵，实现系统运行量调节，满足供暖要求。在采井口潜水泵上方10 m处设置报警点，当开采井水位下降到报警点时立刻进行报警，联动潜水泵变频关闭并提示值班人员，防止水位过低引发潜水泵烧事故的发生。冬季工况下（制冷制热工况、冷却塔不能工作），当酒店供暖换热器水温高于45 ℃时，关闭阀门XL1、XL2、XL3、XL4、DB2，开启阀门DR1、DR2、DB1、DR，酒店的供暖热源仍由供暖换热器提供，与RB1串联的电动两通阀为限流阀，当冷凝器出水温度不足45 ℃时，关小阀门；当换热器不能提供45 ℃热水时，热泵机组开启，关闭阀门XL1、XL2、XL3、XL4、DR、RB1、RB，开启阀门DR1、DR2、DR3、DR4、DB2，热泵机组的蒸发器与水环换热器形成串联。夏季工况下（单一制冷剂冷却塔可以开启时），开启阀门XL1、XL2、XL3、XL4、DR、RB，关闭DR1、DR2、RB1、RB2，制冷系统与供暖系统相互独立。2.5回灌控制策略地热资源开发利用系统回灌数据监测，主要基于地热资源生产的量、质以及各项动态参数的监测，目的在于采集必要的动态数据，并及时监测系统运行状态，保证系统正常运行。采取的具体措施包括：开采井井口设置电磁自动水位、水温、流量计、压力变送器等；回灌运行时，密切监视系统水位、回灌量、水质及过滤装置、管路压力等数据变化，避免发生堵塞等情况。2.6实际运行效果项目于2011年投入使用，运行效果始终保持良好。对冬季、夏季地热水温度进行连续检测，发现夏季地热水出水温度基本保持在86~88 ℃；冬季地热水出水温度基本保持在80~84 ℃，运行状态良好。连续30 d记录地热水运行温度，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.F004图4连续30 d地热水运行记录3经济环境效益分析3.1成本投资对该工程投资进行估算，如地热站房设备、设备安装工程费、工程规划税费等。不包含地热井施工费、末端设备工程费、热力外网工程费、站房土建费及夏季工况下设备的相关费用。供热工程总投资498万元，其中设备定额安装费80万元，设备费339万元，税费79万元。3.2运行成本天津市供暖周期共135 d，通过对年运行费用进行估算，结果如表2所示。该工程的年运行费为173.05万元，结合折旧费为38.25万元，管理费10万元，年经营成本共计221.3万元。相比天津市公共建筑供暖收费40元/m2，项目年度需缴纳供暖费453.2万元，可节约费用231.9万元/a，单位建筑面积节约20.47元/m2，节约运行费用51.2%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.006.T002表2项目供暖年运行费用统计名称数量单位消耗量/kW单价使用时长费用/万元地热井泵1台900.7元/kWh8 760 h55.19地热水开采费（回灌）24.5万m³—0.6元/m³—14.70地热水开采费（未回灌）2.7万m³—2元/m³—5.40热泵机组—56.50.7元/kWh240 h1.37回灌加压泵1台550.7元/kWh240 h0.92酒店卫生热水给水泵1台18.50.7元/kWh8 760 h11.34酒店供暖水循环泵1台300.7元/kWh3 240 h6.80公寓卫生热水给水泵1台18.50.7元/kWh8 760 h11.34办公供暖循环泵1台370.7元/kWh3 240 h16.78热泵循环泵1台18.50.7元/kWh3 240 h4.20酒店供暖补水泵1台7.50.7元/kWh810 h0.43办公供暖补水泵1台7.50.7元/kWh810 h0.43公寓水环补水泵1台7.50.7元/kWh810 h0.43其他电气类设备耗电——0.7元/kWh8 760 h8.50人工费9人—2 500元/月1 a27.00维修费————8.223.3环境效益地热井可提供热量23 106 112 kWh/a，即8.3×1010 kJ/a，节约运行费用231.9万元/a，二氧化碳减排量15 170.2 t/a，二氧化硫减排量108.1 t/a，氮氧化物减排量38.15 t/a，共节约污染治理费172.75万元，折合单位建筑面积15.25元/m2，具有良好的环境效益和经济效益。4结语该工程根据项目实际使用特点，运用水源热泵机组、水环热泵对地热水进行梯级利用，做到“只用热不用水”的可持续理念。相比常规市政供暖，单位建筑面积运行费用节约20.47元/m2，污染治理费节约15.25元/m2，减少建设方投资，符合热资源规划和产业政策，达到科学合理利用地热资源的目的。