国家能源局入编案例：甘肃省定西市通渭县姜家滩小学中深层无干扰地热能供暖项目

能源局入编案例

甘肃省定西市通渭县姜家滩小学中深层无干扰地热能供暖项目

一、项目基本情况

项目名称：通渭县姜家滩小学中深层无干扰地热能供暖项目

建设单位：设计和施工单位为甘肃省建材科研设计院有限责任公司，建设单位为甘肃省定西市通渭县教育局。

建设规模：项目建设无干扰地岩热换热（井）孔 2 口，地岩热换热孔有效深度约1250m；安装换热器 2 套，地岩热机组 1台等。项目总供热面积 14697 ㎡，热负荷 840.19kW，供热建筑包括小学综合楼、教学楼、食堂、厕所、大门、教研楼，以及附属幼儿园综合楼、活动楼。

建设投资：项目属定西市通渭县2017 年全面改薄项目。总投资金额为 444.10万元，其中申请专项资金 95 万元，其余 349.1万元由当地财政支付。当地年供暖期为 5 个月，前期建设和后期运行成本约 0.9 元/㎡·月。

运行时间：项目于2019 年 11 月建设完工并投入使用。截至 2024 年 1 月，已运行 4个供暖季，正在运行第 5 个供暖季。

所在地概况：通渭县位于甘肃省中部，定西市东侧，介于东经104°57～105°38'、北纬 34°55'～35°29'之间。境内有丰富的地热资源。项目地通渭县平襄镇于严寒 C区，年均气温 5.7～7.7℃。姜家滩小学地处县城郊区，周边没有市政集中供热管网。为实现冬季正常供暖，经对比研究，本工程项目利用中深层地岩热技术供暖。

二、技术路线及工艺流程

1.负荷情况

本项目主要包括通渭县姜家滩小学综合楼、教学楼、食堂、厕所、大门、教研楼，以及第六幼儿园的教学楼和教研楼，总供热面积约1.4 万㎡，总供热负荷 840.19kW。

从建筑气候分区上通渭县属于严寒 C 区（1C），年均气温 5.7～7.7℃，建筑物内设置供暖设施，供暖末端为散热器，各房间室内温度满足国家规范要求。校园工程的供暖要求与学校的作息时间密切相关，负荷变化较大，人员密集、集中，行动统一，具有明确的间歇性使用特点。本项目仅在正常学习时间供暖，即一周5 天供暖周末双休日不供暖、节假日不供暖，且学生放学后晚上不供暖，在非供暖期间，系统达到防冻要求即可。

2.技术路线

1）技术思路

中深层无干扰地热能供暖技术是中国工程院原副院长徐德龙院士于2009 年左右，针对浅层地热利用技术和水热型技术存在的弊端和瓶颈，提出的新型地热利用技术。该技术利用地层中普遍存在的地温梯度，向地下一定深处岩层钻孔，在钻孔中安装封闭循环的换热装置，通过专用设备系统向建筑物供热。技术思路是将软化水注入换热装置，通过换热装置将地下深处的热能导出，再通过地上专用设备系统持续稳定向建筑物供暖，与冷却水塔等冷源端结合后，还可实现夏季空调制冷，运行示意图如图1、图 2 所示。

图 1 系统供热示意图

图 2 系统制冷示意图

1）技术特点

中深层无干扰地岩热供暖技术最主要的特点是“井下封闭换热，取热不取水，对自然环境无干扰”，是《地热能开发利用“十三五”规划》加强研发的关键技术。该技术不受场地、气候条件制约，不占用土地，对地下水、土壤等地质环境无影响，具有绿色低碳、安全可靠、无需市政管网接入、可分布式建设、运行成本低等优点。此外，中深层地岩热克服了浅层土壤源热泵热总量小、热补偿不易平衡，长期使用易出现“热衰减”，造成效率下降、后期运行费用逐渐增加的问题。彻底避免水热型技术取用地下水、100%同层回灌困难、地下水资源受到严格保护的问题。

2）技术适用性

（1）空间范围：中深层无干扰地岩热供暖技术利用的是“岩热型”地热能，它存在于由地温梯度（地层温度随着深度的增加而升高，地壳平均地温梯度为 +3℃/100m）自然形成的高温岩土体中。由于地温梯度是普遍存在的，因此岩热型地热资源也是普遍存在的，只是地温梯度高低的问题，无需特定的地质勘探，其应用的空间范围普遍适用。

（2）时间范围：中深层地热能主要来自地球内部的熔融岩浆，由地核经地幔对流传导至地表，以及地壳上部放射性生热元素的衰变，它们都属于普遍存在于深部岩石圈中的地球内热能，相对于人类目前技术能力可开采利用的热能量级，地球内热的总量非常丰富。

该技术在实际应用中投入了大量的科学研究，甘肃省建材科研设计院有限责任公司通过与西安建筑科技大学徐德龙院士团队和上海交通大学合作开展数值模拟研究和实验验证，明确了中深层地岩热井的井间间距、非供暖季热恢复期等关键问题，主要研究结论为：中深层地温恢复期为90 天，因此中深层地岩热供暖系统的地热井温度在非供暖季能够完全恢复，不会出现热衰减现象。

数值模拟结果见图 3、图 4 所示。

图3 热影响半径

图 4 非供暖季热恢复期

3. 系统配置

1）系统构成和配置

本项目针对姜家滩小学这一特定供热末端，利用新型可再生能源——中深层无干扰地热能供暖技术，在通渭县姜家滩小学中实现清洁无煤化、高效、低成本供暖。该系统主要构成包括室外地岩热换热系统和供热站机房，地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当（不小于50 年），主机设备寿命不小于 20 年。换热器孔径小（200mm），深度在 1000m 以下，对建筑地基无影响，全系统低温低压运行，无化学反应，系统稳定可靠、无安全隐患，且系统供热不受气候环境、燃气热力等外购能源的限制，可完全实现自主化供热，能效比COP 值可达到 5.0 以上，运行成本较低。

室外地岩热换热系统配置见表 1，供热站机房主要设备配置见表 2。地岩热机组在冬季提供55/45℃的供暖热水，机房面积约 60 ㎡，机房净高≮4.0m。

1）智能控制系统

项目设计和建设根据学校供热需求特征，设计了地热直供和机组供热双模式系统，日常采用机组供热，供暖季初/末期及寒假期间采用直供模式，从而大大降低了供暖运行费用。教学期间的室内温度保持在 18～20℃。

系统运行原理图见图 5，项目建设地实景图见图6。

图5 系统运行原理

图6 项目建设地实景图

为提高系统能效，降低运行费用，系统采用互联网技术与自动控制技术结合，实现智能化控制。智能控制系统采用现场设备与采集终端直接通讯，采用GPRS 数据远程传输的方式进行数据采集与传输。现场数据采集传输终端设备可以实现监测数据实时采集、实时在线，通信采用定时自报、事件加报和预测兼容的工作体制。其主要采集现场的温度、压力、流量和热量等过程检测信号和设备运行状态等，实现分散数据的集中采集。测控终端按指定时间间隔定期上报监测数据，现场发生异常状态，终端主动上报告警信息，保障系统的时效性。软件定时下发采集命令，采集现场所有测点信息，采集时钟基准统一为计算机时钟，保证数据同时性。用户在需要时，通过软件下发命令，采集指定测点当前数据。其结构图如下图7 所示：

图 7 智能控制系统构架图

4. 运行情况

该项目正在运行第5 个供暖季，自投运以来，系统工作稳定，运行可靠，调节灵活。截至 2023年 4 月 22日，系统前 4 个供暖季累计消耗电能 503,969kWh，电费单价约 0.5 元/kWh，电费约 25.2 万元，平均运行成本 0.9 元/㎡·月，远低于市政供暖5.0 元/㎡·月。每个供暖季前15 天和结束后 20 天，每日早晨采用直供系统供热约 3h。投运时热源侧、用户侧系统共注水 170t，正常运行后，每个供暖季补水约10t。能源消耗量及综合能源折标量见表 3，总综合能耗当量值61.95tce，等价值 151.25tce。

三、经营模式

本项目是定西市通渭县2017 年“全面改薄”项目，既是一项扶贫工程，也是兜底工程。项目总投资金额为444.10 万元，其中申请专项资金 95 万元，其余349.1 万元由当地财政支付。

项目设计和建设根据当地的地热资源与学校供热需求特征，设计了地热直供和机组供热双模式系统，日常采用机组供热，供暖季初/末期及寒假期间采用直供模式，从而大大降低了供暖运行费用。教学期间的室内温度保持在 18～20℃，供暖成本仅为约 0.9 元/㎡·月，远低于当地市政供暖收费标准公共建筑 5.0 元/（㎡·月）；极大地节约了校方的资金，获得了校方好评。

四、效益分析

1.经济效益

根据不同使用功能、不同供暖时段的建筑，制定不同供热策略，可有效减少热能损耗，降低运行费用。如本项目依据节假日、休息天等非正常教学时段和正常教学时段，分别制定了不同控制策略，设定地岩热系统自控控制运行。非正常教学时段，系统低温运行，教学时段系统按照供暖需求，正常运行，有效减少了热能损耗，降低了运行费用。该项目若采用集中供热，每年的供暖费用约为35 万元，而采用中深层地岩热供热系统每年仅需供暖费 6.3万元，每年可节约费用支出约 28.7 万元，经济效益合理。

2.环保效益

根据当地地热资源，有针对性地设计直供系统，可有效发挥当地地热资源优势，最大程度降低运行费用。如本项目学校在供暖初期和供暖末期采用直供系统供热在满足学校、幼儿园供暖需求的情况下，每天仅耗电约80kWh；与燃煤锅炉相比，采用中深层地热能供暖技术，一个供暖季（五个月）可节约标准煤 338t、减少 CO2 排放量约 835t、减少 SO2 排放量约 6.76t、减少氮氧排放物约 2.50t、减少粉尘排放量约3.38t，节能减排等环保效益明显。

五、突出亮点

1. 本项目亮点

本项目采用“井下封闭换热，取热不取水，对自然环境无干扰”的“中深层无干扰地热能供暖技术”进行供暖，具有分时供热、自动化运行、实现无人值守、流量自平衡、节能高效、绿色低碳、运行费用低等特点。结合小学特定的应用场景，通过充分利用中深层地岩热的技术特点，以及管网优化实现不同时段不同区域用能的智能化控制和调度，按照区域分布式供热方案进行总体设计，满足校园内所有建筑的供暖需求，为师生提供安全舒适的学习工作环境。

项目主要创新点如下：

（1）采用中深层地岩热井直供系统，设计和实际运行中优先开启中深层地岩热井直供系统，可在供暖初期和末期热负荷较低的阶段满足校园内供热需求，当供热中期和极端天气热负荷较高时才开启地岩热主机，这样大大降低了主机工作时间，从而降低了运行费用。

（2）输配水力系统采用大流量、小温差设计，楼内不再单设泵站。这样可大大降低水力管网的阻力，增强系统水力的稳定，节能效果更加明显。系统中动力泵设备的减少，可有效降低设备故障率，进一步提高供热的可靠度。同时完全避免了由于楼内动力泵低频噪音对室内办公、居住造成影响，舒适度也得到了很大提高。

（3）设计了以“互联网+”、智慧校园等为基础，由无线智能测量系统、供热信息管理系统、智能控制调度系统组成的能源综合管理平台。使系统能够更加精准地实现实时调节、调度、管理，提高整个系统对地热资源的利用率，有效降低供热耗能，保证了系统可靠、稳定、经济运行。

2. 中深层无干扰地热能供暖技术经验做法

经过近十年的技术储备和突破，甘肃建材院已申请30 项中深层地热技术相关专利，编制完成中深层地岩热供暖技术全国首部规范《中深层地岩热供热系统工程技术规范》DB62/T 3144-2018，已在甘肃兰州、定西、天水、庆阳等地建成投入使用和正在建设的中深层无干扰地岩热开发利用供暖（热水）/制冷面积超过 100 万㎡，在地热能开发利用领域积累了丰富的科研成果和实践经验。

其他主要项目情况如下：

（1）天水市职教园区中深层无干扰地岩热（供暖/制冷）项目

天水市职教园区供暖项目是甘肃省重大建设项目，是甘、宁、新、青、藏、内蒙古等六省建设最大的中深层地热供暖制冷项目。该项目占地面积1200 余亩，总建筑面积 60 万㎡，其中供热/制冷面积 50 万㎡，整个园区划分为西侧教学区、东侧生活区和附属小学三个分区。该项目共32 口换热孔，总热负荷约 29MW，总冷负荷约20MW，地岩热井深约 2200m。

工程完工后可满足职教园区西侧教学区、东侧生活区和附属小学区三个分区60 万㎡建筑的供热需求。由于地热项目投资较大，本项目通过夜间将教学区的热量传递至生活区，提高生活区供热量，减少打井数量，从而降低投资。

（2）兰州中川国际机场三期扩建项目中深层地岩热供热项目兰州中川国际机场三期扩建工程中深层地岩热供热项目位于兰州中川国际机场三期扩建工程飞行保障区，于2023 年 3 月开工建设，目前项目已全部完工，共计供热量 4800kW，配置 8 口换热孔、4台地岩热机组及相应的附属设备（含航油工程）。

该项目的实施进一步拓展了中深层无干扰地热能供暖技术的应用场景。

据测算，该项目在一个供暖季节约标准煤1535.1t，CO2 减排 3791.36t，SO2 减排 30.7t，粉尘减排 15.35t，节能减排效果十分显著，具有良好的社会和环境效益，对打造绿色机场、践行绿色发展理念，促进北方地区清洁供暖具有重要示范作用。

（3）西吉县将台堡镇中心小学中深层无干扰地岩热项目该项目总建筑面积 13215㎡，总热负荷 665kW，配置换热孔 1口，配套地岩热机组及附属设备一套，新建 84 ㎡供热机房一座。目前，项目建设已全部完成，2022 年 8 月 30日进行交付。相比燃煤锅炉，在一个供暖季，可以替代标准煤约 323.12t，减少 CO2排放约 798.12t，减少 SO2排放约 6.46t，减少粉尘排放约 3.23t，节能减排效果十分显著。

该项目是宁夏回族自治区首个中深层无干扰地热供暖工程，对探索宁夏地区地热能等可再生能源冬季清洁取暖具有重大示范效应与引领作用，填补了宁夏地区中深层地热能清洁供暖技术及工程实例空白。

六、问题和建议

1.存在问题

该项目的主要不足之处在于，由于中深层无干扰地热能供暖技术在甘肃省的应用尚在起步阶段，还需要更进一步的研究以推动技术进步，从而使其系统更优化、能效更高。此外，该技术的规模化应用还需政府政策与资金的大力支持，以引导深层无干扰地岩热供暖技术在全国范围内的广泛应用，助力能源转型发展。

2.推进地热能开发利用的建议

（1）加大政策支持。建议国家相关部委设立节能减碳等专项资金，对中深层无干扰地岩热能供暖技术给予一定额度的奖补或基础设施专项配套资金支持。

（2）树立典型示范。建议在地热利用基础较好的河西地区和中央财政冬季清洁取暖试点城市选取不同的应用领域建设地热能开发利用示范县（区），打造一批生态低碳型新能源城市典范。鼓励政府投资项目、国有企业投资项目优先使用中深层无干扰地岩热供暖技术。建议相关部门在评定零碳园区和绿色园区时，将清洁能源作为评定条件之一。

（3）开展资源勘查。建议协调自然资源部研究完善地热能勘查评价方法体系，开展地热资源勘查，建立完善地热能资源大数据库。

（4）强化技术攻关。建议设立地热能开发利用科技攻关专项，加快突破地热能多样开发利用关键技术和工艺。鼓励发展低能耗建筑技术、智慧供能控制技术等，进一步降低地热能开发利用的初始投资。

（5）布局相关产业。建议协调工信部、住建部等部门，整合国内外地热相关企业单位，培育集勘察评价、装备制造、建设施工、技术服务等为一体的地热能产业链条，构建完整的地热能体系，努力打造具有一定竞争力和比较优势的新型节能环保产业集群。