1 緒論
　　1.1 北京地區(qū)地熱利用現(xiàn)狀
　　地熱是一種在合理利用條件下可再生的清潔能源。北京地熱資源分布范圍較廣，位于近城區(qū)的地熱田有4個，分別是：城區(qū)南、北熱田、沙河熱田、后沙峪熱田、天竺熱田，總面積達776km2，地熱水年可采儲量6400萬m3。地熱呈規(guī)模的開發(fā)自20世紀70年代開始，并由1998年以前的年均鉆鑿地熱井7眼，猛增到1999年以來的年均鉆鑿地熱井20眼以上。

　　1999年底以前，北京市地熱井的用途和開采量比例統(tǒng)計見下表：

用途	洗浴	供暖	種植	養(yǎng)殖	醫(yī)療	旅游	礦泉水
井數(shù)（眼）	82	16	7	9	4	5	1
占在用井的比例（%）	60	12	5	9	4	5	3
開采量占全部開采量的比例（%）	37.8	32.5	4.7	14.8	2.6	5.7	2.4

　　就地熱供暖而言，利用地熱井16眼，年開采地熱水量286萬立方米，占全市年地熱水開采量的三分之一，而供暖面積僅為58萬平方米。雖然用于供暖的地熱水占總開采量的比例較大，但用戶范圍和采暖面積均較小，地熱作為清潔、環(huán)保新能源的經(jīng)濟及社會效益都不明顯。究其原因，是由地熱采暖的利用方式落后造成的。1999年之前，地熱采暖的利用方式只有一種，即直供直排方式（圖1）。地熱水從地下取出后，直接進入建筑物用戶室內(nèi)散熱器，為保證供暖效果，即使在增加室內(nèi)暖氣片數(shù)量的基礎上，地熱尾水溫度也不能低于40℃，地熱水熱能利用率極低。
 

　　如按近城區(qū)地熱田有代表性的地熱井參數(shù)：水溫55℃，水量40m3/h計，直接供暖地熱尾水溫度為40℃。

(1)、Q：地熱水供熱量(kw)；Q＝1.163m△t

m：地熱井用水量(m3/h)；

△t：供熱過程供回水溫差（℃）；55-40=15℃

計算Q=698kw

(2)、供暖面積：

η：管線損失系數(shù)，取1.05

qF：單位面積熱指標，參照北京地區(qū)不同建筑物的采暖指標，連續(xù)供暖取50w/m2。

計算s=1.33萬m2

　　這一面積很難滿足一般規(guī)模住宅小區(qū)的供暖需求。較低的地熱利用率與較高的初期鉆井工程投，加上地熱水對室內(nèi)管道及散熱器片有一定的腐蝕、結垢作用，更換管道及散熱器片涉及千家萬戶，平時維修的工作量也較大。以上因素影響了地熱供暖系統(tǒng)在用戶中的推廣。實際上，1999年之前北京城區(qū)的地熱供暖用戶多為20世紀八十年代初期形成的，以后在供暖方面就少有發(fā)展了。

 　　1.2 利用地熱采暖是大氣污染治理的有效途徑
　　而北京地區(qū)，在1999年之前，冬季由于燃煤取暖造成的大氣污染問題是相當突出的，1998年采暖期的統(tǒng)計結果與國家二級質(zhì)量標準對比結果見下表：

污染物	國家二級質(zhì)量標準年平均（μg/m3）	1998年采暖期實測年平均（μg/m3）	實測與標準比超標倍數(shù)（倍）
SO2	60	252	4.2
TSP	200	431	2.16
NOX	50	201	4.02

 

　　為盡快改善大氣污染的狀況，市政府頒發(fā)了京政辦[1999]66號《北京市控制大氣污染第三階段目標和措施》的通知，對北京市的大氣污染治理明確了階段性的治理目標，大氣污染的治理呼喚新能源。

　　社會的需求與地熱利用現(xiàn)狀的極不平衡，給從事地熱勘探、地熱井施工的地質(zhì)勘探部門提出了新的任務。1999年，以北京市地質(zhì)勘察技術院為依托的華清集團承擔了北京市政府下達的地熱供暖可行性研究及建立示范工程任務，也標志著華清集團正式進入熱泵開發(fā)研究市場。集團成立了課題攻關小組，會同有關專家，對地熱的梯級利用和地熱尾水的熱能回收展開了深入研究。

　　2 地熱尾水的熱能回收方式
　　地熱井的鉆井成本較高，地熱水一經(jīng)采出后，應盡可能的提高其熱能利用率，做到物盡其用。課題小組結合當時國內(nèi)剛剛引進的水源熱泵系統(tǒng)技術，將其與地熱供暖相結合，進行了細致的工作和大膽的嘗試，終于在回收地熱尾水熱能上取得突破，使同一口地熱井的采暖面積增加了2~3倍，采暖初投資減低了近一倍。

　　2.1水源熱泵系統(tǒng)的原理
　　水源熱泵系統(tǒng)是一個可以將低溫熱能提升為高溫熱能的集成系統(tǒng)。利用逆卡諾原理，熱泵工質(zhì)（以R22為例）在蒸發(fā)器中由低壓濕蒸汽變成低壓氣體（簡稱工質(zhì)蒸發(fā)），工質(zhì)蒸發(fā)溫度在0℃左右，蒸發(fā)過程中，通過換熱器吸收地熱尾水中的熱量；攜帶能量的熱泵工質(zhì)氣體，經(jīng)壓縮機的抽吸、壓縮作用（驅(qū)動電能作功），以高溫高壓過飽和氣體進入冷凝器內(nèi)；在冷凝器內(nèi)液化為常溫高壓液體，并釋放攜帶的熱量（簡稱工質(zhì)冷凝），工質(zhì)冷凝溫度在68℃左右，冷凝過程中熱能通過換熱器傳遞給建筑物供暖系統(tǒng)循環(huán)水；工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥降壓節(jié)流后，又變成低壓濕蒸汽進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。如此周而復始，不斷的將地熱尾水中的能量搬運、轉(zhuǎn)移到需用的建筑物內(nèi)。地熱尾水由水源熱泵系統(tǒng)回收熱能后，由直接供暖后地熱尾水溫度40℃，最低可將低至10℃左右。

　　2.2 水源熱泵熱能回收系統(tǒng)的理論解析
　　仍以城區(qū)地熱田的有代表性的地熱井為例：

　　直接供暖，地熱水由供水溫度55℃降至40℃，直接利用地熱溫度為15℃。采用水源熱泵系統(tǒng)，在此基礎上可將地熱尾水降至10℃，多利用地熱水溫度30℃，提取的地熱能增加了2倍（地熱水梯級利用及水源熱泵熱能回收系統(tǒng)示意見圖2）。

　　(1)、地熱水供熱量(kw)

　　由兩部分組成，地熱水直接供熱量同上Q1＝698kw；水源熱泵系統(tǒng)從地熱尾水中吸收熱能Q2’＝1.163m△t

　　△t：供回水溫差（℃）；30℃

　　計算Q2’=1396kw

　　在地熱尾水熱能回收過程中，驅(qū)動壓縮機電能作功，轉(zhuǎn)化熱能約為465kw，一般情況下COP值在4.0以上。

　　地熱尾水回收系統(tǒng)總供熱量Q2=1396+465=1860kw;

　　地熱梯級利用系統(tǒng)總制熱量Q=1860+698=2558kw;

　　(2)、供暖面積s的計算方案同上，計算供暖面積為5.11萬m2，是地熱直供面積1.33萬m2的3.84倍，增加供暖面積近3倍。

　　2.3 應用事例分析
  地熱供暖示范工程選定在朝陽區(qū)立水橋甲2號的北京市地質(zhì)勘察技術院的辦公、家屬區(qū)內(nèi)，項目啟動于1999年8月，一期工程2000年4月完成；二期工程2001年12月份完成。

　　示范工程鉆鑿地熱井兩眼，取水井深2400m，水溫70℃，日出水量3000m3；回灌井井深2890m，水溫59℃，日水量1600m3，按傳統(tǒng)工藝，地熱水直接進用戶，地熱供暖面積不到8萬m2，采用水源熱泵系統(tǒng)回收地熱尾水熱能，系統(tǒng)滿負荷運行供暖面積可達到20萬m2。示范工程現(xiàn)有供暖面積3.7萬m2，為院區(qū)家屬樓、辦公樓等所有建筑物供暖，整個冬季采暖地熱水平均用水量25m3/h，極大的降低了地熱水用量。

  　　示范工程工藝圖：

　　2.4 推廣應用

　　示范工程的成功實施，對地熱在供暖方面的應用起到極大的推動作用，為使該項成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，服務于社會，華清集團的子公司——北京市華清地熱開發(fā)有限責任公司，于同年成立，并進行該項科技成果的市場推廣，現(xiàn)將已完成和在施工的部分項目匯總見下表：

項目名稱	建筑面積（萬m2）	項目概況	年替代燃煤量 （t標準煤）	實現(xiàn)產(chǎn)值 （萬元）
北京市立水橋地熱供暖示范工程	3.7	1999.11~2001.12，北京市地熱供暖示范項目，工程分為兩期，新建地熱取水回灌井兩眼，地熱梯級利用，熱泵回收尾水熱能。	最終規(guī)模4148	1130
華威冶金印刷廠地熱供暖改造工程	2.18	2000.8—2000.10，對原地熱供暖系統(tǒng)進行改造，改直供為間供，利用熱泵系統(tǒng)回收部分地熱尾水熱能。	2906	220
崇文區(qū)郭莊北里住宅樓地熱供暖工程	2.8	2001.5—2001.11，新建地熱取水回灌井兩眼。為6棟家屬樓提供供暖，地熱梯級利用，熱泵回收尾水熱能。	3732	1300
北京好運物業(yè)廣渠門住宅樓供暖改造工程	2.8	2002.6—2002.10，利用臨近單位40℃的采暖地熱尾水作為水源熱泵的低位熱源，采用高溫水源熱泵來提供70/50℃的熱水，為供熱系統(tǒng)的熱源。原有供熱系統(tǒng)的末端設備維持不變。	3732	295
北苑家園六區(qū)地熱供暖一期工程	43.6	2001.12—2003.10，新建地熱取水回灌井和地熱梯級利用、地熱尾水熱能回收系統(tǒng)作為供熱基礎負荷，小區(qū)燃氣鍋爐提供調(diào)峰負荷。在基礎負荷與調(diào)峰負荷之間，尋求最優(yōu)的運行費用與初投資結合點。	35547	7000
合計			50065	9945

 

　　2.5 難點解決方案
　　在設計、施工中遇到的問題及解決方案：

　　在初期的地熱供暖設計時，沒有一套相對成熟可以借鑒的利用方案，沒有適宜的換熱設備，沒有適宜于熱回收的水源熱泵機組，也沒有一套可供參考的系統(tǒng)控制方案。一切可以說從零做起。

　　地熱尾水熱能回收設備：我們根據(jù)對系統(tǒng)的理解，提出主要設計參數(shù)，與國內(nèi)著名大學合作，共同開發(fā)了國內(nèi)首臺有自主知識產(chǎn)權的普通殼管式水源熱泵機組，并于1999年冬季，結合示范工程一期項目，進行了工程試驗，取得了第一手實踐數(shù)據(jù)及較好試驗效果。

　　地熱尾水作為低溫熱源，供熱溫度不穩(wěn)定，用戶以住宅樓為主，從而要求其蒸發(fā)器應適應較寬的溫度范圍、承受較高的進水溫度；冷凝器用于為建筑物供熱，則出水溫度越高越好。結合后續(xù)項目，與國內(nèi)著名制造廠家完成了普通工質(zhì)高效換熱器水源熱泵的開發(fā)，和高溫工質(zhì)高溫熱泵機組的開發(fā)，使蒸發(fā)器進水的最高耐熱溫度可達到40℃以上，完全可以用于地熱尾水工況，冷凝器的出水溫度也逐步提升，由50℃到60℃，進而由60℃到70℃，水溫可以達到90℃的高溫熱泵也已經(jīng)完成開發(fā)，并通過驗收?，F(xiàn)在我們可以說：適宜于住宅樓原有供暖系統(tǒng)，僅對燃煤鍋爐熱源進行替換的條件已完全具備。

　　在自控方面我們也進行了廣泛的研究和實踐，做到：按室外溫度、建筑物實際負荷需求，按需供熱；按系統(tǒng)需求抽取地熱水；盡可能降低蒸發(fā)器進水溫度的波動，維持熱泵機組工況穩(wěn)定；地熱水梯級利用與調(diào)峰負荷的自動投入，在維持低運行費用的同時，盡可能降低初期投資。

　　3 結論
　　值得欣慰的是：我們的工作為用戶解決了燃“煤”之急，提供了運行費用相對低廉的供暖熱源，使為居民提供冬季供暖服務的企業(yè)由負擔變成贏利事業(yè)，擴大了清潔能源的利用范圍，為北京市的環(huán)保事業(yè)、做出了一定的貢獻。我們的工作得到了市政府的關注和肯定。2001年冬季，原北京市市長劉淇、原北京市副市長王光濤、劉敬民到郭莊北里供暖機房視察，對地熱尾水熱能回收再利用方案給予充分的認可，指出地熱供暖為北京市新能源的開發(fā)提供了新途徑，勉勵我們再接再厲，擴大其在北京的利用范圍。

　　同時，我們的工作已被納入北京2008年奧運建設項目，在《奧運行動規(guī)劃—能源建設和結構調(diào)整規(guī)劃》中，明確提出利用地熱能和地熱先進技術為奧運場館提供地熱采暖面積40萬m2，現(xiàn)正在進行首眼地熱井的勘探施工和項目初步方案編制工作。

　　我們堅信，在采用地熱尾水熱能回收再利用技術后，首都的地熱資源定能實現(xiàn)統(tǒng)一成片開發(fā)，改變目前的單井開采狀態(tài)，充分發(fā)揮其作為一種綠色清潔能源更好地服務于首都人民，為首都環(huán)境的改善及辦好2008年綠色奧運做出更大的貢獻。