冬天取暖，热从哪里来？如今，在河南郑州，一种新的取热方式正在把地下深处的热量送入居民家中——让二氧化碳在一口2500米深的地热井里循环往返，像“热量搬运工”一样，把地下热能带回地面。

今年5月，由西安热工院与河南分公司联合实施的中深层地热能超临界二氧化碳闭式取热示范项目在郑州正式投产运行。项目以超临界二氧化碳为循环取热介质，通过同轴套管换热结构，将地下深处的热量传递至地面，为1.8万平方米居民集中供暖提供清洁热源，每年替代标煤288吨，减排二氧化碳750吨。

这听起来像一项复杂工程，其实可以这样理解：给大地安装一套“地下换热器”。二氧化碳沿着密闭管道下井取热、回到地面放热，周而复始，把2500米深处的热量变成千家万户的暖意。

01

稳定供能：地热能为何适合居民供暖？

在“双碳”目标引领下，地热能正成为能源结构转型中的重要方向。传统燃煤、燃气供暖虽然能够满足居民用热需求，但仍面临化石能源消耗和碳排放压力。相比之下，地热能来自地下深处的天然热量，开发利用过程中不需要燃烧煤炭和天然气，具有清洁、低碳、可持续的突出优势，是推动城市供暖系统绿色转型的重要选择。与风能、太阳能相比，地热能不受昼夜、季节和天气影响，像一座藏在地下的“稳定热源库”，能够连续释放热量，特别适合用于居民集中供暖、园区冷热供应和城市能源系统低碳化改造。

“十四五”期间，中央企业持续加大科技创新力度，一批面向新型能源体系建设的关键技术和示范工程加快落地。华能郑州中深层地热能二氧化碳取热项目，正是央企在清洁供暖这一民生场景中，推动科技成果落地的一次重要实践。

02

不抽地下水：地下热量怎么取出来？

开发中深层地热能，过去常见的方式是以水为介质：把地下热水取上来，换热后再回灌地下。但在实际工程中，地下水资源保护、回灌条件等问题往往会制约地热能的大规模推广。

华能郑州中深层地热能二氧化碳取热项目选择的是“闭式取热”路线。所谓“闭式”，就是循环介质始终在密闭管路里流动，不直接抽取地下水，也不与地下岩层中的流体发生大规模交换。

简单说，就是“只取热、不取水”。

在这套系统里，二氧化碳不是被排放到地下，也不是被地下“吸收”，而是在密闭系统中反复循环。它从井口进入地下，在井筒中吸收地层热量后返回地面，再通过地面换热和用热系统，把热量传递给供暖用水。

这样的闭式路线，减少了对地下水取用和回灌条件的依赖，为中深层地热能开发提供了新的工程路径。

03

为什么是它：二氧化碳如何胜任取热介质？

“闭式”取热需要一种合适的循环介质——既要能在高压深井里顺畅流动，又要能高效携带热量。这项技术给出的答案，是超临界二氧化碳。

二氧化碳在一定压力和温度条件下进入超临界状态后呈现“类液类气”的优异特性，兼具较好的流动性和较强的携热能力。项目在地热井里布置了一套“内外管道”，也就是同轴套管结构：二氧化碳沿着管道进入井下，在2500米深处吸收地层热量，再沿回流通道返回地面换热站进行放热，形成连续稳定的闭式循环。

整个过程就像一条封闭的“地下热量传送带”，把地下清洁热能持续送到用户端。

04

一口深井背后：三大难点如何攻克？

把取热介质从水换成二氧化碳，绝不仅仅是“换一种介质”这么简单。高压运行的二氧化碳，对地下工程、地面设备和系统调控都提出了更高要求。

难点一：让二氧化碳在深井里“待得住”。项目创新钻井和完井工艺，研发井底密封结构和特殊气密扣，可承受最高35兆帕的压力条件，防止运行中二氧化碳泄漏；同时开发适应地热环境的金属防腐涂层，耐腐蚀性能较基材提高10倍以上，为系统长期稳定运行提供支撑。

难点二：让二氧化碳在井下“取得到热”。项目创新高效固井和气举吹扫等工艺流程，提升井筒换热效率，取热能力较常规水工质提高20%。

难点三：让地下热量在地面“送得出去、用得上”。项目研发二氧化碳地面用热机组，从井内出来的二氧化碳经压缩机进一步升温升压，最高供水温度可达80摄氏度。相比之下，常规水工质地热井提温后温度相对较低，与城市热网的耦合能力也受到一定限制。

更高的供热温度，意味着这项技术不仅可以服务居民集中供暖，也为后续接入城市热网、服务零碳园区、开展冷热同供提供了更多可能。

05

跨季节储热：非供暖季还能把热“存起来”？

在中深层地热井闭式取热的基础上，项目还结合周边已有浅层地热井探索跨季节储热。

在非供暖季，系统利用周边55口浅层地热井，把可利用的热量先储存起来；到了冬季供暖期，再将这些热量释放出来用于居民供暖。

这相当于给城市装上一个“地下储热仓”：非供暖季存热，冬季用热高峰时取热。这样既能提高地热系统全年运行时长，推动这口深井从“冬季热源”进一步升级为“全年能源”。

06

数据说话：项目有何示范价值？

作为示范项目，华能郑州中深层地热能二氧化碳取热项目不仅回答了“能不能用”，也用一组数据回答了“好不好用、能不能推广”。

与常规水工质地热井相比，华能郑州中深层地热能二氧化碳取热项目取热能力提高20%，单位供暖面积能耗降低10%，具有较好的工程经济性和产业化推广前景。超临界二氧化碳流动和传热性能较好，有助于提高井下取热效率；地面用热机组和运行优化技术，则让系统能够根据不同用热场景灵活调节。