1 工程概況

雄安動車所位于河北省保定市雄縣政府正北方向,直線距離約2 km,距離雄安站約5 km。雄安動車所房屋建筑面積61 268.23 m2,包含27個單體,供暖面積59 057.51 m2,總熱負荷5 756.22 kW。目前,雄安動車所利用雄縣地方市政地熱能供暖,動車所內設置1座換熱站。基于雄縣區域地熱資源條件,地熱井出水溫度65℃,單井出水水量120 m3/h,供暖能力為 2 500 kW,動車所共配備6口地熱井,形成三采三灌模式。 動車所換熱站由2個熱源提供熱量,當2個熱源由一次網接入換熱站后,先在集水器中匯合,再通過換熱器與二次網換熱,最后再通過分水器分別回到2個一次網回路,2個一次網支路的管徑分別為DN350和DN200。動車所地熱供暖管線示意圖見圖1,換熱站供熱原理示意圖見圖2。

2 雄安新區地熱資源分析

2.1 地熱資源情況

雄安新區位于渤海灣盆地冀中坳陷內,主要構造單元有牛駝鎮凸起、容城凸起、高陽低凸起、霸州凹陷、保定凹陷、徐水凹陷等。分布有牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽雄安新區位于渤海灣盆地冀中坳陷內,主要構造單元有牛駝鎮凸起、容城凸起、高陽低凸起、霸州凹陷、保定凹陷、徐水凹陷等。分布有牛駝鎮地熱田、容城地熱田和高陽

1)雄縣中深層地熱資源情況

雄縣縣域大部位于華北地區最大的整裝地熱田———牛駝鎮地熱田覆蓋范圍內,主要熱儲資源為牛駝鎮地熱田的薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖巖溶熱儲、新近系砂巖熱儲;在縣域東部屬霸州凹陷的范圍內以新近系砂巖熱儲為主。

目前雄縣主要開發利用的熱儲資源是縣域中西部牛駝鎮地熱田范圍內的薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖巖溶熱儲,地熱資源具有五大突出特點:一是面積廣,基巖熱儲面積320 km2,占牛駝鎮地熱田總面積的50%;二是儲量大,地熱水儲量達8.23×101 1m3;三是埋藏淺,熱儲埋深500~1 200 m,便于開發利用;四是溫度高,出水溫度為55~86℃;五是水質優,地熱水為氯化物碳酸鈉型熱水,礦化度為500~ 2 000 mg/L。

經測算,雄縣4 000 m域內中深層地熱資源可采資源量48.39億GJ,相當于1.65億t標準煤。

2)容城中深層地熱資源情況。

容城縣地熱資源條件良好,縣域內發育有容城地熱田, 熱田面積185 km2,屬中型地熱田。熱儲層主要為薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖巖溶熱儲。容城開發利用該熱儲層,鉆井深度1 600~2 100 m,井口水溫為50~63℃,水量為 100~130 m3/h,水化學類型多為氯化物碳酸氫鈉型,礦化度一般為2 000~3 000 mg/L,礦化度低、水質好。

經測算,容城4 000 m域內中深層地熱資源可采資源量22.39億GJ,相當于0.76億t標準煤。

3)安新中深層地熱資源情況。

安新縣位于渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起北端、與牛駝鎮凸起的交接部位。因此,安新縣北部的鄉村區與雄縣城區的地熱資源相類似,而安新縣縣城區及其以南的鄉村區則與高陽低凸起的地熱資源相近。

安新縣縣城區發育的主要熱儲層系為薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖巖溶熱儲、新近系館陶組和明化鎮組砂巖孔隙熱儲。預計明化鎮組砂巖熱儲底板埋深1 200~1 600 m,井口水溫為40~55℃,單井水量40~60 m3/h;館陶組砂巖熱儲底板埋深為1 600~2 200 m,井口水溫為50~75℃,單井水量為60~80 m3/h;霧迷山組巖溶熱儲頂板埋深為 3 000~3 500 m,井口水溫為95~120℃,單井水量為60~ 80 m3/h。

經測算,安新縣4 000 m域內中深層地熱資源可采資源量71.41億GJ,相當于2.43億t標準煤。

4)淺層地熱資源情況。

根據中國地質調查局開展的第一階段雄安新區地質調查,雄安新區淺層地熱能開發利用條件適宜,淺層地熱能利用適宜選擇地源熱泵形式,布置1眼深度100 m左右的換熱孔可滿足50~60 m2建筑面積的供暖制冷需求。綜合利用地源熱泵系統供暖制冷,起步區可滿足3 000萬m2建筑面積,全區可滿足約1億m2建筑面積,但布置換熱孔需占用非常大的地面空間。

地溫梯度最大的區域位于雄縣東南部,牛駝鎮凸起地溫梯度最高為8.0℃/100 m。其他地區一般3.0~4.0℃/ 100 m。牛東斷裂以東小于2.5℃/100 m。雄安新區地溫梯度等值線圖見圖4。

2.2 技術路線

為保證資源的可持續開發利用,根據資源品性,應按照 “因地制宜、間接換熱、梯級利用、采灌均衡”的原則及思路, 最大限度地提取地熱水中熱量,并將熱利用后的地熱水通過回灌井同層回灌,科學開發地熱資源,確保資源的可持續利用。

3 供能方案研究及技術經濟比選

以車站、辦公等公共建筑冬季集中供熱為主要功能需求,按照雄安新區的資源、氣象條件,目前技術成熟、實施性強的供能方式主要有:中深層水熱型地熱、燃氣鍋爐、空氣源熱泵。各種供能方式主要特點如下。

3.1 中深層水熱型地熱

適用于資源豐富,回灌條件良好,建筑布置較為集中的區域;適用于散熱器、風機盤管、地板輻射等末端。

中深層地熱采用換熱器換熱(結合熱泵機組供冷)梯級利用的方式提取地熱水中熱量,為用戶冬季供熱,熱利用后地熱水通過回灌井重新注入地層,達到采灌均衡的可持續開發模式。如有供冷需求可利用供熱用的熱泵機組結合淺層地熱,按照需要量及冷熱均衡搭配淺層地熱、冷卻塔和冷水機組為用戶端夏季制冷。

主要投資內容為中深層地熱、熱源輸送管線、設備機房、供配電設施。目前雄安新區范圍內已建成中深層水熱型供熱項目720萬m2。

3.2 燃氣鍋爐

適用于有充足燃氣氣源,有供熱需求,且用戶布置集中的區域;適用于散熱器、風機盤管、地板輻射末端。 通過燃氣鍋爐加熱供暖回水溫度,為用戶端冬季供熱。 主要投資內容為燃氣鍋爐、鍋爐設備房。目前燃氣鍋爐供熱因“氣代煤”等政策影響在全國范圍內大量應用。

3.3 空氣源熱泵

適用于電力充足、有充足的機組布置場地、冬季空氣濕度較低的項目。利用空氣源熱泵提升冬季室外低溫空氣中低品位熱能至較高品位,為用戶端冬季供熱。主要投資為空氣源熱泵機組、供配電設施。

4 案例分析

本文以雄安動車所為例進行分析,動車所以中深層地熱為供能方式,接引雄縣地方市政地熱能供暖,由某地熱能開發公司負責運營管理,動車所內設置1座換熱站,京雄城際鐵路于2020年12月開通運行,動車所同步投入使用,截至2022年5月,已經歷2個供暖季。

初次運行,經過長達1個月的熱網系統調試,宿舍樓等生活用房室內溫度能達到18~21℃,檢查庫等生產用房室內溫能達到15~19℃。達到設計溫度,供熱效果良好,能滿足正常生產生活需求,第2年運行情況穩定,經回訪,對整體供熱效果滿意。

采用此種方式供能,每年熱費相較于燃氣鍋爐低,而且規避了燃氣鍋爐排放環保不達標的風險,克服了采用空氣源熱泵方式電力不足、能效低的缺點,使供能和用能單位實現共贏。

5 結束語

以上3種供能方式均為當前清潔能源的主要利用方式,能滿足雄安新區綠色低碳的發展要求。3種供能方式運行耗水、人工等費用接近,但適用范圍、初投資、耗電、耗氣、能效比差異較大。

各種冷熱供能方式具備不同的適應性及特點,任一供能方式均不能完全滿足雄安新區的區域熱(冷)用能需求,因此不應依靠單一供能方式解決新區用能需求,應建立綜合能源供給方式,提高供能靈活性、能效比及穩定性等,同時提升供能方式的技術、經濟可行性且具備長遠的環境效益。 結合雄安新區的總體規劃與資源條件,新區內地熱資源條件優良,同時回灌技術已發展成熟,建議新區以中深層地熱為主,以燃氣、淺層地熱、再生水(污水)、空氣源熱泵為輔,同時搭配太陽能、各類余熱等清潔供能為補充,建立綜合冷熱供能解決方案。