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我国中深层地热能主要以低温地热田的形式存在。尤其在山东地区,地热资源分布面积广,储量大,开采条件较好,但由于技术上处在自发、分散和粗放的利用阶段,浪费地热资源的现象严重,综合开发利用水平低。地热尾水就近地面排放较普遍,给地热利用区域的水环境带来严重负面影响。本文从强化传热速率和水系统优化运行策略角度入手,将“火积耗散”理论引入到地热供暖技术上,着重分析了火积分析应用到换热器上的优化策略,确定了火积分析应用到主要设备选型时的优化原则；分析了地热水水系统的不同形式及其优化准则,提出了两种较为可行的运行调控策略,并将上述研究成果应用到菏泽某地热供暖改造工程中,指导系统改造的优化设计。研究了地热供热系统强化传热效率。以给定条件下火积耗散最小为优化准则。当给定换热器冷热流体进出口温度时,冷热流体热容量差值越小,火积耗散越小,换热器传热速率越快：当给定冷热流体热容量情况下,热流体(或冷流体)进出口温差越大,火积耗散越小,换热器传热速率越快；当给定换热器热流的情况下,流体热容量越大,火积耗散越小,换热器传热速率越快。建立了地热水水系统的优化方法。遵循“扩大地热能可利用温差和减少地热水开采量”的原则。通过控制地热井出水流量、控制回灌温度的措施或控制换热器低温侧出口温度等措施予以实现。并以工程实例检验了该方法的可行性。提出了山东菏泽地区某地热供暖改造工程方案。实地调研考察,对其进行扩大供暖能力、减少地热水开采量和增大系统及其主要采暖设备供热能力等方面,进行了优化改造。提出了“增加梯级利用级数+增设混热水箱”和“增加梯级利用级数+增设市政热网调峰”的两种优化方案,深入探讨了优化原则与策略在工程中的实际应用,并对其在节约地热水、提高供热能效比和地热能利用率、热突破时间以及经济性等方面进行了较为深入全面分析,确定了“增加梯级利用级数+增设混热水箱”方案。基于建立的地热梯级利用优化技术,进行的工程改造结果表明：提出的优化方法具有可行性与可操作性。