浅层水源热能

浅层水源热能（精选六篇）

浅层水源热能 篇1

张掖市浅层水源热能开发利用时间大致起始于2002年。据不完全统计,截至2007年张掖市已推广水源热泵用户11户,供热面积21.17万平方米,2008年至今又确定使用水源热泵用户6户,计划供热面积15.63万平方米,累计供热面积达36.8万平方米,呈现出良好的发展势头。到目前为止,一般都是建设单位的自主行为,在开发利用上存在很大的盲目性。一些施工单位或空调供应商凭经验、凭想象当然选择水源热泵的应用方式,致使大部分项目勘查、评价力度不够,因而缺乏设计的完整性和科学性。

水源热泵技术经过几十年的发展虽已经比较成熟,但仍然存在一些问题,在张掖城区最突出的是回灌不足造成水资源浪费,再者就是抽水井与回灌井间距不合理可能引起的热短路效应,降低水源热泵系统利用效率。

二、资源概况

张掖市矿产资源和太阳能、风能、水能储量丰富,开发条件好、潜力大。祁连山西段是国家确定的12个重点找矿区之一,现已探明的矿藏有钨、钼、铁、铜、煤等33种,其中钨、钼远景储量居全国前列,铁、石膏、萤石、煤资源量分别占全省的85%、87%、67%和12%。可利用水能资源350万千瓦,风能资源500万千瓦,光能、生物质能开发前景广阔。目前水电、火电装机容量150万千瓦,年发电量60亿千瓦时,是全省电力输出市。为水源热泵系统运行提供了充足的电力保证。

根据国家人口规模预测的有关标准,结合张掖的人口和土地使用现状情况,确定城市远期用地规模约为53.35平方公里,2020年城市人口达45.4万人。人均规划建设用地控制在117.53平方米,并从远景发展的角度预留50万～60万人口的用地需求。

三、水文地质概况

(一)水文地质条件

地下水的演化主要是气候变化和构造运动的结果。黑河流域的地质构造运动,自中生代以来进入一个统一的、以强烈差异性断块运动为主的发展时期,其造成的地形差异影响着自然和水文地质环境的变化,在地下水演化中起着重要的作用,由此奠定了现代地下水系统的基本格局。

张掖盆地是北祁连地槽褶皱系走廊过渡带的一个中新生带断陷盆地,地下水主要赋存于中上更新统巨厚砂砾卵石层中,其沉积结构具有典型的山前倾斜平原自流斜地水文地质特征,自山前倾斜平原至城区南侧为单一潜水分布区,含水层厚度大于300米,渗透系数50米/天～300米/天,单井涌水量大于5000立方米/天。城区北部为多层型承压水区,含水层仍为砂砾卵石,颗粒粒径略细,其上及其间夹有亚粘土及砂,单井涌水量3000立方米/天～5000立方米/天,城区北部单井涌水量小于3000立方米/天(图1)。地下水埋藏南深北浅,南部山前水位埋深可达200余米,至洪积扇前缘渐变为5米～30米,城区及其以北地段一般小于3米。

地下水自南而北运动,水力坡度南部为8‰～10‰,北部为2‰～5‰。地下水主要消耗于洪积扇前缘带的泉水溢出、蒸发蒸腾及机井开采,其中泉水溢出占总排泄量的76%～82%。

城区地势西南高北东低,第四系沉积物具典型的二元结构。表层亚砂土厚度自西向东由西二环路的1米左右增至东环路的7米～8米,相应的下伏导水性良好的卵石层埋深由1米左右增至7米～8米。大致在县府街至南北大街之间存在一个卵石埋深突变带,县府街至西二环埋深梯度0.14%(2米/1450米),县府街至南北大街之间卵石埋深梯度0.35%(2米/570米),南北大街至东环路卵石埋深梯度0.33%(3米/920米)(图2a)。南北方向上,大致以南北大街为轴线,卵石埋深自南而北渐深,由南部南环路的1.1米～4.6米增至北环路的2.0米～5.8米(图2b)。钻孔揭露第四系厚度大于160米,物探资料推断第四系厚度大于800米。

(二)含水层结构及水温

依据含水层的地层时代及水力性质,自上而下可分为三个含水层组。一是上部全新统潜水含水层组,主要分布于城区以北,水位埋深一般1米～10米,北部局部地段小于1米,由西南向北东渐浅(图3)。含水层岩性为各类砂、其间夹亚砂土、亚粘土,厚度一般小于20米,水温一般大于15℃。二是中部上更新统浅层承压水含水层组,分布普遍,厚度一般50米～60米,水位埋深1米～3米,承压水顶板埋深15米～20米,含水层岩性为泥质砂砾卵石、砂砾石,水温一般12～13℃,较为稳定,便于开采。渗透系数100平方米/天,单位涌水量1485立方米/(天·米),导压系数7097平方米/天。三是下部中更新统深层承压水含水层组,分布普遍,水头埋深2.2米～8.7米,含水层厚度60米～80米,顶板埋深75米～80米,隔水顶板岩性为亚粘土,厚度2-4米。含水层岩性为泥质砂砾卵石及砂砾石,水温一般12℃～13℃,较为稳定,开采深度较大,为城市供水水源的主要开采层位。渗透系数57平方米/天。单位涌水量1485立方米/天·米,导水系数4468平方米/天,弹性释水系数2.64×10-4。含水层粒度总的变化趋势是由南西向北东方向逐渐变细,主要含水层由砂质砾卵石、砂砾卵石过渡为泥质砂砾卵石、砂砾石。

㈢地下水动态

城区附近的潜水与其北、东部(冲洪积扇下游细土平原区)的浅层承压水的动态特征具一致性。一是地下水动态年内具同步性,主要影响因素为灌溉和开采,以河水灌溉为主的地段,5月～10月的灌溉期为“箱”形高水位期;以开采地下水灌溉为主的地段,5月～8月的开采期为“谷”型低水位期。二是地下水位多年动态相对稳定,降速0.02米/年～0.04米/年。

(四)城区地下水水质

城区80米以浅层水水质分析结果:PH7.3～8.0,总硬度(以CaCO3计)194.2毫克/升,溶解性总固体361.7毫克/升,硫酸盐46.1毫克/升,氯化物12.1毫克/升,总铁0.13毫克/升,高锰酸钾指数2.22毫克/升,硝酸盐氮1.28毫克/升,亚硝酸盐氮0.14毫克/升,氨氮0.016毫克/升。以上述指标满足水源热泵用水要求。

城区80米以下深层承压水水质分析结果:PH7.7～8.0,总硬度(以CaCO3计)192.2毫克/升～235.2毫克/升,溶解性总固体376.4毫克/升～426.7毫克/升,硫酸盐55.7毫克/升～74.9毫克/升,氯化物17.17毫克/升～23.4毫克/升,总铁0.09毫克/升～0.28毫克/升,高锰酸钾指数0.39毫克/升～0.48毫克/升,硝酸盐氮1.45毫克/升～2.06毫克/升,亚硝酸盐氮0.0006毫克/升～0.0015毫克/升,氨氮0.016毫克/升。以上述指标满足水源热泵用水要求。

四、浅层热能评价

(一)地下水换热系统浅层水源热能计算

张掖市浅层水源热能开发利用虽起始于2002年,但缺乏导热系数、比热容、单井回灌量及合理井间距试验资料,在近几年实际运行中抽水井与回灌井数为1:2,井间距一般为30米～50米,有待进一步试验后推广或改进。本次计算采用中国地源热泵发展研究报告[1](2008)推荐的经验值或实测数据,地下水的比热C:4180焦/(千克·℃),密度ρ1000千克/立方米,水的温差ΔT:7℃,地下水循环量m:80立方米/小时。则地下水换热系统浅层地热能D (千瓦)的计算公式表示为:

经计算,在上述工况下地下水浅层水源热能为650.22千瓦,冬季热负荷一般民用住宅建筑为45瓦/平方米～70瓦/平方米,若按60瓦/平方米计,则上述热能可满足10837平方米建筑面积取暖,即1眼80立方米/小时的抽水井和2眼40立方米/小时的回灌井可满足10846平方米建筑面积供暖1小时。

(二)热储法计算热能储存量

含水层和相对隔水层中的地热能储存量按下式计算:

式中QR为地热能储存总量(千焦);QS为岩土体中的热存储量(千焦);QW为岩土体所含水中的热储存量(千焦)。其中QS的计算公式为:

式中PS为岩土体密度(1750千克/立方米);CS为岩土体比热容[1.6×106千焦/(千克·℃)];φ为岩土体的孔隙率(0.35);M为计算面积(26.5×106平方米),取城区规划面积的50%;d为计算厚度(75米),水面至计算深度;△T为利用温差(7℃)。其中QW计算公式为:

式中:PW为水密度(1000千克/立方米):CW为水比热容[4180焦/(千克.℃)];其它符号意义同前。

根据已有实测数据或经验数据确定岩土体、水体的热物理参数(比热等)。经计算,城区计算面积一半内岩土体的热储量为2.53×1019千焦,水体的热储量为3.78×1016千焦,则城区地热能储存总量2.53×1019千焦。

地下水源热泵井组的井型、井数和回灌方式随场地所处的水文地质分区而变化。城区以南为大厚度单一潜水含水层,地下水温和水头稳定,渗透系数大,易于回灌,所取得的常规水文地质参数为钻孔抽水试验获得。一般情况下,单个的地下水源热泵工程涉及的平面范围不大,可以假定含水层在横向上是均匀的,但是如果规模很大,水文地质条件会有一定的变化,如前已述及的城区自南而北含水层颗粒变细,城区北部则需要加大勘察评价力度,获得较为详细的水文地质参数。

建筑物的采暖和供冷需求也是水文地质设计的重要参考信息,它决定了地下水的抽吸水量、抽灌井水的地面温差、热泵运行周期等。因此,在水文地质设计之前,必须进行建筑物的热力学设计,以提供两者的耦合参数。地下水源热泵的大面积推广最好是把水文地质设计与热力学设计结合起来。

五、环境影响评价

(一)浅层水源热能开发对环境的影响

浅层地热能是指地下200米以内土壤和地下水中所蕴藏的地温热能,采用热泵技术进行采集利用后,不仅可以供暖,还可以制冷。和其他能源相比,浅层地热能具有分布广泛、可循环再生、储量巨大、可就近利用等优点,是一种清洁能源。随着我国经济快速增长,能源形势日趋严峻,在节能减排呼声日益高涨的今天,浅层地热能作为一种非常重要的新型能源,它的开发利用成为实现可持续发展的一个重要途径,而地源热泵技术无异于“雪中送炭”,使浅层地热能的利用和开发成为可能。

目前这项技术较成熟,国家也出台了相应的设计规范《地源热泵系统工程技术规范GB503662005》,规范地下水、地表水、土壤源热泵的设计行为。

据有关材料显示,截至2009年6月,我国应用浅层地热能供暖制冷的建筑项目已经有2236个,建筑面积近8000万平方米,其中80%集中在京津冀辽等华北和东北南部地区。2008年,我国通过开发利用浅层地热能,实现二氧化碳减排1987万吨。今后五年内我国还会在建筑领域加大对地下200米以内浅层地热能的开发利用,进一步促进节能减排。

通过减少常规能源的消耗,可再生能源系统可以有效减轻对环境的负面影响。地下水源热泵系统在工作过程中不会向环境产生任何排放物,也不会对地下水产生污染,系统引起的地下水温度变化对环境的负面影响尚未见报导。因此,本项目采用的可再生能源系统不会对环境产生有害影响。

据测算,采用地源热泵每供热1万平方米,可节约标准煤332吨,减少烟尘排放1.75吨,减少二氧化硫排放4.1吨,减少二氧化碳排放830吨。按张掖市已经推广使用面积21.17万平方米估算,已实现年节约标准煤7028.44吨,减少烟尘排放37.05吨,减少二氧化硫排放86.80吨,减少二氧化碳排放17571吨。水源热泵节能减排效果明显。

(二)环境保护措施

回灌是地下水源热泵的关键技术。在面临地下水资源严重短缺的今天,如果地下水源热泵的回灌技术不成熟,不能将井水100%的回灌到含水层中,将带来一系列的生态环境问题,如地下水位下降、含水层疏干、地面下沉、河道断流等,致使已不乐观的地下水资源雪上加霜。为此地下水源热泵必须有可靠的回灌措施来支撑。

要积极研究和探索回灌方法,如定期回扬、辐射井回灌、同井回灌、设置缓冲水池(水箱),加压回灌,增加回灌井的数量,抽水井与回灌井互换。另一方面要加强管理,严格检测回灌量。为此要加强回灌方式、抽灌井布设间距及回灌量研究。

要优先选择渗透系数大、厚度大、地下水温度和水头稳定而埋深较浅的含水层作为取水目的层,在城市水源地保护区还必须遵守相关保护规定。对城区北部多层结构含水层区要加强常规的水文地质参数和热力学参数试验研究,分区布设长期观测孔,以期对水源热泵运行前后地下水动力场、温度场变化规律有深入研究。

要加强地下水源热泵的热力学参数研究,包括背景温度、粘度、比热、孔隙度、导热系数、纵向弥散度、横向弥散度、固体颗粒比热等。

建筑物的采暖或供冷需求也是水文地质设计的重要参考信息,它决定了地下水的抽汲流量、抽灌井水的地面温差、热泵运行周期等。在水文地质设计之前,必须进行建筑物的热力学设计,以提供两者的耦合参数。地下水源热泵的优化最好是把水文地质设计与热力学设计结合起来进行。

要加强运行管理,对渗透性能较低的含水层(如细砂)应做到至少每日回扬一次,定期观测回灌井水位,监控有效半径变化,定期采取水样进行测试分析。

虽然地下水源热泵技术经过几十年的发展已经比较成熟,随着时间的推移和大面积推广使用,环境问题将会越来越明显,上述措施将对环境保护起到积极的促进作用,也必将使张掖市水源热泵技术大面积推广使用起到积极的示范作用,进而推动全国类似地区水源热泵技术的推广。

六、结论

张掖市城区具有丰富的浅层低温地热资源,初步估算可达2.53千焦×1019千焦,水量充足、水温适当、水质良好、供水稳定、回灌可靠。城区80米以浅浅层承压水是理想的取水采暖制冷层位,具备规模化推广水源热泵技术的水文地质条件。

摘要：地下水源热泵系统是浅层地温能开发利用的一种主要方式,近年来在国内被广泛推广。本文在充分利用现有水文地质工程地质资料的基础上,查明了张掖城区内地下水系统所蕴藏的浅层低温能资源数量、质量和分布规律,并结合张掖市城区局部应用地下水源热泵实际工况及对环境的影响进行分析,为该市浅层地热能资源大面积开发规划提供依据,也是保证浅层水源热能资源利用走向科学化、规范化的重要环节。

关键词：浅层水源热能,分析,张掖城区

参考文献

浅层水源热能 篇2

（国土资发〔2008〕249号）

各省、自治区、直辖市国土资源厅（国土环境资源厅、国土资源局、国土资源和房屋管理局、规划和国土资源管理局），中国地质调查局：

浅层地热能是一种可再生的新型环保能源，也是一种特殊矿产资源，利用前景广阔。开发利用浅层地热能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要意义。为使浅层地热能更好地满足经济社会又好又快发展，现就进一步促进浅层地热能开发利用有关工作通知如下：

一、总体要求

坚持以党的十七大精神为指导，全面落实科学发展观，积极贯彻《矿产资源法》和《可再生能源法》，进一步推动节能减排工作。按照“在开发中保护，在保护中开发”的要求，摸清浅层地热能资源，编制开发利用规划，科学利用浅层地热能，统筹当地经济社会与资源、环境协调发展。加强组织领导，抓好技术培训，制定优惠政策，实行规范管理，促进浅层地热能开发利用工作健康发展。

二、工作部署

1.调查评价，查清浅层地热能资源

各省、自治区、直辖市国土资源行政主管部门在2010年年底前，组织完成本行政区域内的浅层地热能调查评价工作。调查评价的对象原则上为各省（区、市）国土资源厅（局）上报的适宜开发利用浅层地热能的城市（镇），根据具体情况可作适当调整。调查评价的范围为城市的城区和远景规划建设区。调查评价内容主要是查明浅层地热能分布特点、赋存条件和地层热物性参数等，估算可利用资源量。调查评价工作按照我部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》进行。各省（区、市）国土资源厅（局）应编制详细的本行政区浅层地热能调查评价工作方案，并于2009年3月底前报部备案。

2.编制规划，保障浅层地热能持续利用

各省、自治区、直辖市国土资源行政主管部门要组织有关单位，在调查评价的基础上，结合当地经济发展、城市建设、矿产资源规划和土地利用规划，根据当地行政区域可再生能源开发利用中长期目标，于2011年6月底前，编制完成各城市（镇）浅层地热能开发利用专项规划。专项规划应根据地质环境条件，划定适宜开发区、较适宜开发区和不适宜开发区；依据水文地质条件，圈定适宜不同开发方区（地下水、地埋管）的地段，估算不同适宜区浅层地热能可利用量，估算或能的供暖服务面积，提出合理的开发利用规模，为浅层地热能资源的可持续利用提供科学依据。按照《可再生能源法》的要求，浅层地热能开发利用专项规划应报当地人民政府批准，各省（区、市）国土资源行政主管部门要在当地政府批准后一个月内将专项规划报部备案。

3.加强监测，掌握开发利用动态

各省、自治区、直辖市国土资源行政主管部门应加强浅层地热能开发利用的地质环境监测工作，对开发利用浅层地热能的城市（镇）建立浅层地热能监测网。对不同深度的地温、采温层的岩土质量、地下水水位和水质、地面标高等项目实施长期监测，及时掌握地温变化动态、水土质量和地面变形情况，一旦发现地温长期持续单向变化，或水土污染、地面沉降，应立即采取有效措施加以解决，防止产生地质环境问题。

同时，为了对浅层地热能开发利用方法、技术等方面加强示范引导，各省（区、市）应选择有代表性的1～2个城市建立监测实验区。实验区可对单个项目或项目密集区的地温场、地下水位、水质、地面标高等地质环境因素进行长期监测，同时记录运行工况和能耗，计算换热能效比，检验项目节能效果，总结开发利用经验。

浅层地热能监测工作的具体标准和要求由中国地质调查局制定。

三、组织实施

1.加强领导，明确责任。部地质环境司具体负责该项工作的组织和领导，协调解决工作中的问题，部有关司指导规划编制与审批。中国地质调查局负责浅层地热能调查评价、规划编制、动态监测和监测实验区建议的技术指导工作。各省（区、市）国土资源行政主管部门负责行政区该项工作的组织和实施。

2.落实工作安排。省级国土资源行政主管部门要将本地区浅层地热能调查评价、规划编制、动态监测和监测实验区建设列入年底工作计划，统筹安排。

3.规范开发行为。引导市场科学利用浅层地热能，逐步实现有序发展。加强浅层地热能勘查、评价和地下换热系统设计、施工单位的资质管理，逐步实施准入制度。各地还应根据《可再生能源法》的有关规定，研究制定鼓励政策，积极引导社会资金投入，逐步形成浅层地热能开发有度、市场有序的良好局面。

4.加强宣传引导。各级国土资源行政主管部门要提高全社会对浅层地热能开发利用的认知程度。加大对浅层地热能开发利用的宣传力度，大力宣传其清洁环保性能和节能减排作用。要通过普及浅层地热能知识，努力营造促进浅层地热能开发利用的良好社会氛围。

5.加大技术培训和科技攻关力度。各级国土资源部门要充分发挥专业单位的技术支撑作用，定期、不定期组织开展浅层地热能调查评价及开发利用相关技术培训和技术交流。针对技术难题，进行科技攻关，不断提高浅层地热能开发利用的科学技术水平。

大力推广浅层地热能开发利用，意义重大，势在必行，各地国土资源行政主管部门要认真贯彻本通知要求，狠抓落实，切实做好各项工作。加强对本地区浅层地热能资源开发利用工作的监督检查，发现存在的重大问题及时向国土资源部报告。

二〇〇八年十二月三日

浅层水源热能 篇3

一是在中央设立的可再生能源发展专项资金中, 重点支持利用地热能, 特别是利用浅层地热能进行集中供暖和空调制冷工程。对地热能用于住宅小区、学校、办公等公共场所集中供热取暖或空调制冷的, 可按实际供暖或供冷面积给予一定的资金补助。

二是对地热供暖或供冷工程中, 回灌的地热水或地下水, 其回灌部分的水量免收矿产资源补偿费或水资源费, 并应鼓励按回灌量给予经费资助, 以利节约利用水资源。

三是土耳其政府为了鼓励开发利用地热资源, 制定了一系列的措施, 收到很好的效果。建议我国在制定开发利用地热资源政策时, 可以学习和借鉴他们的成功经验, 采取免收增值税, 开发地热资源的收入小于投资额的给予免税、用于地热开发所耗用的电能, 只收取半费和免收地热开发租赁的土地使用费等多项优惠政策, 以促进我国开发利用地热资源事业的发展。我和吴学敏、沈梦培参事, 曾经专门到土耳其考察过。这方面的建议我们呈报给曾培炎副总理和华建敏国务委员以后, 国家发改委等有关部门正在研究我们这份建议。实际上北京市发改委早已经出台了有关政策。

通过我们的调研, 国内掀起了地热能开发利用的高潮, 特别是浅层地热能的开发利用, 我用如火如荼来形容也许过了一点。当然这不是我们几个人的功劳, 而是我们的调研内容切合我国开发利用可再生能源, 以缓解传统能源紧缺形势的大环境。在我们调研之后, 2006年11月13日~15日, 由国家机械工业局工程建设中心和中国城市经济学会联合主办的首届中国地源热泵技术城市级应用的高层论坛起到很好的带头作用。接着在2007年的1月29日~30日, 由国土资源部组织召开全国地热 (浅层地热能) 开发利用现场经验交流会。2007年2月6日由建设部科学技术委员会, 沈阳市人民政府和中国可再生能源学会主办, 在沈阳召开了首届中国地源热泵技术应用与发展论坛。2007年8月24日~26日召开的地温能与热泵技术应用高层论坛, 则是由中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会组织召开的。由此可见, 在过去一年多的时间中, 加上这次论坛已经召开了5次重要会议, 这充分说明了我国利用地源热泵技术开发浅层地热能的大好形势。

下面我想谈谈有关问题:

(一) 国内外地源热泵技术应用现状。

我先谈国外地源热泵技术应用的状况, 1954年美国发明了地源水源热泵空调系统, 经过半个世纪的发展, 西方发达国家已经获得广泛的应用, 就连美国总统布什的德克萨斯乡间别墅, 英国女王伊丽莎白的白金汉宫也都采用了地源热泵技术。进入90年代以来, 欧美国家共同对地源热泵有关的环境问题开展了广泛和深入的研究, 2005年在土耳其召开的世界地热大会上, 对地源热泵的开发利用进行了总结, 发现近10年时间里, 热泵技术在地热能直接利用能量方面的比例, 由1995年的13%发展到2005年的33.2%, 有大约30个国家平均增长速率超过10%。其中, 开发利用较好的国家, 有美国、北欧、瑞士、德国, 尤其是瑞典。目前全世界范围内实际安装的机组数量大约是150万个, 其热泵工程特点是系统运行和监测自动化程度高, 运行达到最优化。过去近10年间, 世界主要应用地源热泵的国家, 浅层地热能开发利用年平均增长30%, 目前地源热泵应用日益广泛, 是最有前途的节能装置和系统, 尤其是复合型的制冷供热系统, 已经成为国际空调行业前沿研究课题之一, 也成为浅层地热能利用的重要形式之一。

我国热泵系统作为商业化应用与世界发达国家相比是滞后的。20世纪80年代初至90年代末, 随着城市能源结构的变化, 在我国暖通空调领域掀起一股“热泵热”, 热泵供暖制冷的应用, 在一些大城市日益广泛。例如上海高层建筑25%采用空气源热泵热水系统供暖、制冷, 北京、天津、武汉、长沙等地也大量使用。进入21世纪以来, 水源地源热泵引起学术界和企业界的广泛关注, 国家相继出台了支持可再生能源开发利用的一系列方针政策, 水源、地源热泵行业有了较快发展。

国家“十一五”规划已经正式把“十一五”期间单位GDP能耗降低20%, 作为约束性指标。据统计, 暖通空调能耗占建筑能耗的65%, 以建筑能耗占总能耗的35%计算, 暖通空调能耗占全国总能耗的比例高达22.75%。在这个方面地源热泵技术具有明显优势, 包括高效节能、绿色环保, 利用可再生资源, 代表了节能型暖通空调的发展趋势, 符合国家目前节能减排和环境保护的可持续发展政策, 促进行业迅猛发展。据初步统计, 截止2004年底, 以热泵产品制造、工程设计或施工为主的企业已经达到83家。到2006年底, 类似的企业已经达到300余家。全国范围内, 除港、澳、台地区外, 31个省 (直辖市) 、自治区均有热泵项目, 其总工程数量约达4500个, 今年年底可达到4800~5000个。比较多的地区是北京、河北、河南、山东、辽宁和天津, 上海和广东其次, 从地域分布上看, 在我国华北和东北南部地区工程数量较多, 占总工程数量的78%。

应该特别强调指出的是沈阳市在市委书记陈政高同志和邢凯副市长的大力推动下, 计划在全沈阳市范围内大力推广采用地源热泵技术, 开发浅层地热能资源。沈阳市已有地源热泵供热制冷面积312万m2, 计划在沈阳市12980km2市区范围内推进, 到2010年年底要实现6500万m2, 占全市供热面积的32.5%。沈阳市在浅层地热能开发利用方面, 起了很好的带头作用, 堪称全国之冠。从已竣工的工程统计分析, 办公楼40%, 宾馆饭店19%, 住宅12%, 厂房9%、别墅度假村7%、商场6%、学校5%、医院3%, 可见热泵工程涉及的面较广。从供热制冷面积看, 在5万m2以上的项目约占14%, 15万m2以上的是48%, 1万m2以下的是39%, 目前工程以中小型项目为主, 但是近一到两年大中型工程增加较快, 表现在房地产业运用热泵技术的项目比较多。据统计, 在水源热泵、地源热泵、空气源热泵三种不同系统工程中, 采用水源热泵系统的占多数, 约占58%, 地源热泵系统占37%, 空气源热泵系统只占5%。在北方地区工程类型, 水源热泵占多数, 约占41%, 地源热泵32%, 其中包括地下地表水+冰或冷却塔、太阳能利用等多种复合型系统。地表水源系统 (污水、中水、海水) 占27%。在南方地区, 空气源热泵约占41%, 水源热泵约占36%, 地源热泵约占23%, 南方、北方差别很大。

从竣工的工程数量看出, 近年来, 热泵工程应用逐年增加, 而且有呈倍数增加的趋势。以北京地区为例, 在21世纪初期只有两个项目完工, 到2006年约有120个工程交付使用, 可见热泵技术发展非常迅速。目前, 企业的投资规模从100万元到数亿元不等, 其中注册在1亿元以上的占25%, 0.5—1亿元的占13%, 3000万元的占25%, 3000万元以下的占37%, 其中, 5000万元以下的企业占到60%以上。显然还是以中小企业居多, 说明地源热泵行业目前还是处于起步阶段。我国地源热泵系统生产企业主要集中在北京、广东和山东三个省市, 这三个省市地源热泵系统生产的数量约占全国地源热泵生产企业总数的70%左右, 其余的30%企业来自上海、江西、辽宁、内蒙古、四川、天津、浙江等地。

(二) 热泵技术应用存在的问题。

1) 政策与法规。

政府支持政策和财政补贴稍显薄弱, 目前虽然出台了《可再生能源法》、《节约能源法》、《中华人民共和国水法》和《可再生能源发展的专项资金管理办法》以及地方性政策, 如北京市发改委等九部门联合发布, 在2006年7月1日起执行的《关于发展热泵系统的指导意见》和近期的补充说明等等, 政府对推动热泵技术比前几年有了很大的改善。但是仍存在多头管理、缺乏监督机制等问题, 影响热泵技术的推广应用。已经出台的《地源热泵系统工程技术规范》是第一部有关热泵技术方面的规范, 起到了很大的推广指导作用。这个规范由建设部和国家质检总局在2005年11月联合发布, 由2006年1月1日开始实施。中国地质调查局则在2006年5月提出了《浅层地温能勘查开发技术规程》 (征求意见稿) , 不久也将公布实施, 这样就可以从资源评价和热泵技术两个方面加以规范。

2) 热泵产品。

目前地源热泵系统产品型号和规格相对较少, 并且主要是以国外的原配件组装的产品, 国内还有国外的热泵公司在我国投资建厂 (以合资为主) , 主要有美国的美意空调公司、特灵空调公司、芬尼克兹集团、法国的西亚特公司以及加拿大的枫叶能源集团等。国内生产水源热泵的较大企业是山东省富尔达空调设备有限公司, 其次还有北京恒有源, 清华同方等公司, 但具有自主知识产权的产品较少。

3) 技术应用。

(1) 地源热泵技术是暖通空调技术与水文地质条件相结合的综合技术, 两者缺一不可。尤其是一些大型工程, 还需要系统控制技术。这就要求工程组织者和施工技术人员能够合理协调, 做好充分的技术经济分析。有些从业人员不了解该地区地下水情况, 在运行过程中却发现回灌成了大问题, 造成工程失败, 这个问题很大, 而且具有一定的普遍性。

(2) 在一些工程中, 设计地源热泵系统时, 忽视了冷热能平衡问题, 就是夏季向热源累计放热量应该等于冬季向地源累计吸收的热量, 以保持该地区地下恒温带的全年温度变化的平衡。

(3) 缺乏必要的地下监测工作, 目前国内已建的大部分热泵工程, 都没有建立地下水和岩土监测系统。热泵工程在运行中对地质环境的影响一无所知, 当前地下水的回灌技术不完善, 亟待加快研究解决。

(4) 缺乏对岩土热物性特征的了解。目前大部分热泵工程都没有开展岩土热物性参数的测试工作, 而是运用经验数值或者是用其他地区的岩土热物性参数代替, 岩土热物性特征随地点不同而有所区别, 一个地区的测试结果可能完全不适于其他地区, 必须进行相应的修正甚至是重新测试。

(5) 在热泵工程设计中, 需要密切结合水文地质条件并开展地质环境和地热能资源评价。由于热泵系统的特殊性, 对传统的水文地质勘察与评价提出了特殊的要求。因此, 探讨开展适应热泵系统的地质环境综合评价方法, 是当前两大专业技术人员重要课题之一。以北京为例, 北京市已建的热泵系统存在不少问题, 需要在技术应用上加以提高, 有的热泵系统向地面排水, 不能把水回灌地下。有的热泵系统能效比低, 有的使用年限短等等, 这些问题说明北京市热泵系统还在试用阶段, 应加强有针对性的研究工作。

(6) 热泵工程的经济合理性。并不是所有的热泵系统都是经济合理的, 由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50%以上, 而影响热泵技术的推广应用。目前热泵系统安装费用较高, 与电制冷、天然气加热系统相比, 热泵系统显然是高的, 它的回收期为5年—8年, 这个问题在集成商的设计中常被忽略, 导致一些热泵工程节电不节能或节电不经济。

(7) 缺少必要的宣传和推广活动, 目前, 虽然国家出台了部分政策和法规, 支持热泵系统技术的推广应用。但由于对节约能源和保护环境的宣传教育不够, 没有形成强大的公众舆论和社会环境, 使得社会各方面对使用节能技术和设备缺乏积极性。社会上对它的认知不足, 尤其是业主单位主要决策人对节约能源的认识不足, 直接影响此项新型能源技术的广泛使用。

现在对应用热泵技术开发利用浅层地热能进行大力宣传的刊物有三个:其一是《工程建设与设计》杂志, 其二是《地热能》杂志, 其三是《建筑科技》杂志, 希望他们继续努力。

(8) 技术队伍良莠不齐, 在从事水源、地源热泵工程的生产、设计安装和施工队伍里面, 有些技术人员对这项技术仍然处于不十分清楚的状态, 水源、地源热泵技术性较强, 现在已经出现一些非正规的热泵技术公司承揽热泵工程, 这样的企业做出的工程很难保证工程质量。目前热泵工程的运行管理也存在较多问题, 水源、地源热泵系统和传统中央空调系统以及其他形式的供暖系统有比较大的区别, 特别是地下水系统有很严格的操作流程。但是现在少数工程是由系统集成商来运行, 大多数是交给工程单位管理, 这些管理人员对水源、地源热泵技术了解甚少, 不同程度地影响运行效果。

(9) 市场混乱, 亟待规范。目前水源、地源热泵市场竞争激烈, 各公司应该通过自己的技术特长和丰富经验, 来打造自己的品牌。对个别企业的违规操作和虚假宣传必须加以制止。

河南省浅层地热能的开发利用 篇4

一、地源热泵技术的工作原理

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术, 是热泵的一种。热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方, 通常热泵都是用来作为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力, 冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内, 夏季再把地下的冷量转移到建筑物内, 一个年度形成一个冷热循环。

二、地源热泵的特点

1. 高效节能, 稳定可靠。

地热能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定, 土壤与空气温差一般为17度, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是很好的热泵热源和空调冷源, 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%~60%, 因此要节能和节省运行费用40%~50%左右。通常地源热泵消耗1k W的能量, 用户可以得到5k W以上的热量或4k W以上冷量, 所以我们将其称为节能型空调系统。

2. 无环境污染。

地源热泵的污染物排放, 与空气源热泵相比, 相当于减少40%以上, 与电供暖相比, 相当于减少70%以上, 真正地实现了节能减排。

3. 一机多用。

地源热泵系统可供暖、制冷, 还可供生活热水, 一机多用, 一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

4. 维护费用低。

地源热泵系统运动部件要比常规系统少, 因而减少维护, 系统安装在室内, 不暴露在风雨中, 也可免遭损坏, 更加可靠, 延长寿命。

5. 使用寿命长。

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管, 寿命可达50年。

6. 节省空间。

由于系统没有冷却塔、锅炉房和其他设备, 省去了锅炉房, 冷却塔占用的宝贵面积, 产生附加经济效益, 并改善了环境外部形象。

地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣, 是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广泛应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

三、河南省浅层地热能勘察开发利用现状

河南省地处中原, 浅层地热能资源丰富, 大部分地区都具有浅层地热能开发利用的良好地质条件。随着国家相关鼓励政策的相继出台以及有关部门、行业人士的大力推动, 利用浅层地热能的地源热泵技术在河南省得到了较好地推广和应用。根据统计, 自2006年国家财政部和建设部颁布《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》以来, 由河南省建设厅、河南省财政厅组织, 全省连续三批申报成功《可再生能源建筑节能应用示范项目》20个, 这些示范项目基本上都是地源热泵技术在建筑中的应用技术, 共计完成地源热泵供热空调面积200余万m2。其中河南省地矿局所属地勘单位成功完成申报示范项目6个, 完成示范面积85万m2, 为河南省浅层地热能开发利用作出了突出贡献, 有力推动了地源热泵技术在中原地区的推广应用。根据调查, 河南省境内目前已拥有地源热泵中央空调系统近300台套, 利用浅层地热能供热面积近250万m2。同时, 采用地源热泵技术的项目数量每年都在以20%~25%的速度增长, 展示出了该项技术在河南市场的强大生命力和远大的推广应用前景。

四、河南省浅层地热能勘察开发利用存在的问题

1.目前在浅层地热能开发利用的市场上, 一般都是建设单位的自主行为, 在对浅层地热能的开发利用上存在很大的盲目性。往往是施工单位或空调供应商凭经验、凭想当然选择地源热泵技术的应用方式, 所上项目大部分都没有进行前期的地下资源条件的勘察、评价和论证工作, 因而缺乏方案的优选性, 无法真正实现科学开发浅层地热能, 科学利用浅层地热能。

2.在科学利用浅层地热能方面, 缺乏规范性。河南省地域辽阔, 东、西、南、北, 地理、地质条件差异较大。在目前的地源热泵市场上, 很多从事这方面工作的人员与单位都是以往从事传统中央空调系统设计安装的人员, 他们缺乏专业的地质技术知识。由于地源热泵中央空调系统的冷热源来自于地下, 因此, 一套中央空调系统能否长期有效地运行, 对地下结构、热储条件的把握成为了关键因素。对当地地质条件的不了解, 或采取技术措施不适宜, 往往造成地下水冷热不平衡等问题, 导致系统不能长期有效运行, 缩短使用寿命, 或者造成地下环境污染, 给当地的生态造成危害。

3.在地源热泵技术项目的推广应用上, 缺少政府相关部门的有效监督、监管。目前的地源热泵市场大部分都是个体行为, 建设单位在采用该项目技术时, 大都是听取经销商 (或施工单位) 的推介, 而对采用该项技术的一些必要条件缺乏了解, 而经销商为了自身经济利益, 往往不顾实际地推介自己的产品, 有时甚至隐瞒某些隐患。这样就造成了在推广地源热泵技术时, 施工单位或经销部各行其是, 有些为了压价, 还降低施工质量和技术执行标准, 减少必要的建设工程程序, 恶性竞争的结果, 给该项技术的推广应用带来了不少潜在隐患。如回灌导致的地下水污染问题, 抽水引起的地面沉降问题, 冷热释放不平衡导致的热导效应问题以及由此引起的对原土壤生物所造成的侵害问题等, 所有这些, 都制约着该项技术在我省的健康稳定发展。

五、河南省浅层地热能勘察开发利用的对策与建议

1. 建立地埋管换热系统 (封热交换系统) 、地下水换热系统和地表水换热系统, 告示不同类型的地源热泵示范工程, 总结运行效果、经济合理性、设计优化、最优回灌方法、地质环境综合评价方面的经验和参数, 指导浅层地热能规模性开发。

2. 设立专项, 在浅层地热能重点开发区, 建立地下水 (岩土) 监测系统, 进行勘察开发浅层地热能和保护地质环境方面的实验研究, 建立与地源热泵工程有关的数据库, 为地源热泵工程设计提供依据。

3. 对浅层地热能开发利用现状进行调查, 查明浅层地热能开发利用工程的类型、分布、规模、运行效果、经济合理性和存在问题, 提出解决问题的途径和方法。

4. 依靠科技进步和创新, 提高浅层地热能利用技术水平。地源热泵系统是地质环境、热泵系统、自动控制和暖通空调系统等多学科的有机结合。需要加强暖通空调与水文地质工程地质人员的密切配合, 做到每一部分都要与整体相协调, 才能使整个系统达到经济、节能与环保。

5. 加强管理, 改变管理缺位、管理越位和多头管理的被动状态, 反对技术工作行政化的倾向, 更要杜绝以管理之名行部门利益之实的现象发生。浅层地热能开发管理涉及规划、城建、国土、水利、环保、财政、电力、房地产等相关部门, 主管部门应密切与其他相关部门的协作, 明确分工, 各负其责, 制定规范管理的规定, 加强热泵工程的前期、后期监管, 促进浅层地热能开发有序发展。

6. 加大政府对地源热泵技术推广应用的支持力度, 根据《可再生能源法》的有关规定, 研究出台相关鼓励政策。实行政策引导和财政补贴, 采取有效措施降低地源热泵运行价格。

7. 制定设计、施工、勘察、监测资质管理制度, 逐步实行市场准入制和工程监理制, 以及技术人员的培训上岗制, 确保施工队伍的技术水平和工程质量。

8. 贯彻落实科学发展观, 坚持“在保护中开发, 在开发中保护”的方针, 开展浅层地热能开发利用的环境影响评估工作, 重点评估开发浅层地热能可能引发的地质灾害、水质污染、热污染和地温场变化等问题, 防患于未然。

9. 加强地源热泵工程的经济评估工作, 建立合理的初装、运行价格体系, 尤其是合理地确定电价和循环水价格。

浅层水源热能 篇5

浅层地热能是优质可再生能源

浅层地热能,是指地表土壤、地下水、河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。是一种优质的清洁能源,具有清洁环保、可再生、分布广、储量大、可用性高等特点。地源热泵技术,是利用了浅层地热能作为冷热交换源,通过能量转换,为建筑物提供绿色清洁的空调系统。

业内人士表示,与传统燃煤、燃气供热相比,采用地源热泵的中央空调系统每消耗1千瓦能量,可以得到4千瓦以上的热量或冷量,加上运行维护费用低,综合节能超过50%,甚至可以达到70%左右。在污染物排放方面,利用地源热泵系统相对于普通空调可减少污染物排放40%以上,与电供暖相比可减少污染物排放70% 以上。同时,夏季减少了冷却塔的飘水损失,减缓了城市“热岛效应”;冬季无燃烧过程,对终端用户来说实现了污染物“零排放”。

浅层地热能在工业领域的应用效果同样显著。在天津宝坻区,该市首个大规模集中供热地源热泵项目于2013年投入使用,取代了原有的两台20吨燃煤蒸汽锅炉,整个园区实现供热15万平方米。据测算,每年减少二氧化碳排放96吨,氮氧化物29.4吨,烟尘排放19吨。

而在全国范围内看,我国浅层地热能资源量相当于95亿吨标准煤,增强型地热能理论资源量更是相当于860万亿吨标准煤,大致相当于2013年全国能源消费总量的20多万倍。目前业内一致认为,其平均利用系数是风电的3至4倍、太阳能的4至5倍、生物质能的1.5倍,在可再生能源当中属于优质能源。

我国浅层地热能资源丰富

我国浅层地热能开始使用起步较晚,2005~2006年王秉忱、吴学敏、沈梦培等六位国务院参事连续两年跟踪调研我国地热资源的合理开发利用问题,向国务院领导提出三份国务院参事建议,两次在中南海向两位主管副总理汇报调研成果,其中重点强调了应大力开发利用浅层地热 ( 温 ) 能,得到国务院的高度重视。从2007年开始,国土资源部、建设部 ( 现住建部 ) 与科技部等部门积极推进此项工作,取得了重大进展。

我国浅层地热能丰富,如果加以开发利用能够节约大量的煤炭资源,取得巨大的环境效益。以京津冀地区为例,目前北京地区由西北向东南方向共有4条NE向地热构造带,即:怀来——延庆地热带、温泉——沙河、 小汤山地热带、良乡——城区——天竺——李遂地热带和榆垡——凤河营地热带,共组成10个地热田。经勘查工作证实,北京平原区地下蕴含的浅层地热资源,每年可以提供相当于6620万吨标准煤的资源量,可满足9.59亿平方米供暖。

天津计算出浅层地热能的可利用资源量为1748万亿千焦,冬季可供暖面积13.4亿㎡,夏季可制冷面积12.6亿㎡。每年浅层地热能可利用资源量全部开发可节约标准煤5974万吨,扣除开采的电能消耗,可节约标准煤4480万吨,减少向大气排放二氧化碳等1.17亿吨, 减少环境治理费用15.32亿元。

河北省浅层地热能资源丰富,设区城市浅层地热能热容量为507.5×1012千焦,其中水源热泵适宜区面积1365.73平方公里、地源热泵适宜区面积3626.56平方公里。全部开发利用年可代替燃煤345.46万吨,减排二氧化碳898.20万吨、二氧化硫6.91万吨、氮氧化物2.42万吨、粉尘3.45万吨。

据介绍,截至2012年底,北京市已建地源热泵项目约有1111个,其中地下水地源热泵911个;地埋管地源热泵149个;再生水及污水源热泵38个;深层地热 + 热泵13个。

截至2012年底,北京应用应用热泵建筑面积约为3435万平方米 ,其中地下水地源热泵约2446万平方米; 地埋热地源热泵约649万平方米;再生水及污水源热泵约140万平方米;深层地热 + 热泵约200万平方米。

目前,北京市浅层地热能开发利用已形成规模性发展趋势,但在发展过程中仍存在设计不匹配、运行管理不规范等问题,需要政府部门、行业组织等各方面共同努力,完善各个环节,科学推广应用。

目前还存在共同性的问题

业内专家指出,虽然国家和北京市出台了一系列的鼓励措施,使得浅层地热能应用发展很快,但由于地源泵技术在我国的应用时间不长,目前我国在浅层地热能的使用方面存在着一些共同性的问题。

一是缺乏浅层地热能开发利用的宏观指导。开发利用浅层地热能,首先要勘查评价项目所在地的地质条件, 确定浅层地热能可开发利用的区域及合理利用量,预测开发利用浅层地热能产生的环境影响。虽然北京市已经初步开展了浅层地热资源地质勘查评价和地下水源热泵适宜性评价等工作,但尚未建立公共浅层地热能利用地质条件信息数据库和管理系统,缺乏对浅层地热能开发利用前期的宏观指导,使得浅层地热能的开发存在一定的盲目性。

二是浅层地热能企业水平良莠不齐。随着浅层地热能开发利用规模的扩大,吸引了国内外企业蜂拥进入浅层地热能开发利用市场。大多数公司根本不具备系统测试能力和设计能力,缺乏对地下换热系统长期运行的地下温度变化、地下水的回灌、地下水位下降、水资源二次污染等问题的考虑,而且该行业的门槛不高,对隐蔽施工的监理机制也不够健全,执行力度较弱,造成了施工质量不高、设计不合理、运行不科学、管理不到位的现象, 直接影响了浅层地热能产业的健康发展。

三是浅层地热能开发利用技术研发滞后。我国浅层地热能开发利用规模在十几万平方米的工程很多,甚至很多城市都有20~30万平方米的工程,这些工程利用现有技术,使得大量地埋管换热器集中在一个地块,项目长期运行后,在中间部位的换热器换热能力大大下降, 从而影响整个地源热泵系统的效率,甚至可能会导致系统的瘫痪。

四是工程设计方法需进一步完善。目前工程设计是根据经验数据估计土壤的换热能力,并直接确定埋管的数量和地热井的深度,但不同的土壤资源情况不同,根据估算的结果来设计、施工、安装,很大程度上会导致系统运行出现问题,甚至出现取热(冷)效果差,热泵机组停机。

浅层水源热能 篇6

地热能是地球内部贮存的热能,它包括地球深层由地球本身放射性元素衰变产生的热能及地球浅层来源于地球内部的热量和太阳辐射的热能。国内外许多学者及生产单位为此进行了不懈的努力并取得了丰硕成果[1,2]。浅层地热能位于地表200m以内的恒温带内,广泛存在于岩石、土壤、水源等许多介质中,是一种很好的替代能源和清洁能源。

当前浅层地热能的主要利用方式有以地表水源为热源的水源热泵和以地表岩石、土壤介质为热源的土壤源热泵两种。单井循环换热地能采集井作为一种新型的浅层地热能开发利用方式,成功实现了单井循环浅层地热能的开发。它是我国独立开发的具有完全自主知识产权的地能采集技术,其技术核心是地下水的同质、同层完全回灌技术。不消耗不污染地下水,无潜在的地质灾害问题。单井循环换热地能采集井能效比是其他两种浅层地能采集方式的20 ~100倍。

1 单井循环换热地能采集井模型的建立

单井循环换热地能采集井的模型包括物理模型和数学模型两部分,数学模型包括偏微分方程和参数赋值,偏微分方程包括控制方程和定解条件。

1. 1 单井循环地能采集井的物理模型

单井循环换热地能采集井分为有蓄能颗粒采集井和无蓄能颗粒采集井两种。有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的结构为[3]: 加压水进入采集井的加压回水区内,水流在其隔离膜与绝热内壁间充满颗粒的环形空间内向下流动,部分回水进入土壤中。然后水流由潜水泵从底部的抽水区抽走,通过出水管送回机房循环使用。无蓄能颗粒采集井除没有环形空间的蓄能颗粒外,其余部分的结构与有蓄能颗粒采集井相同。本文的模型为宽80m、高40m的二维长条形区域,土壤初始温度恒定,边界由绝热内壁和土壤边界两部分组成,中上部是单井循环换热地能采集井,其余是土壤介质,详见图1。

1. 2 数学模型及其参数设置

单井循环地能采集井计算区域的数学模型包括控制方程和定解条件。本文研究前提条件是层流流态,随时间变化的非稳定流,计算域受到向下的重力加速度,外界为一个大气压。

控制方程假设水流为连续性,遵循不可压缩流体的Navier-Stokes方程,能量方程。单井循环地能采集井计算域内部水、蓄能颗粒、土壤的参数设置详见表1。

单井循环地能采集井的定解条件包括初始条件和边界条件。

初始条件有计算域中水、蓄能颗粒、土壤的温度,水的流速,压强等参数。

边界条件有进水口、出水口、绝热内壁、恒温土壤外边界。其中进水口的流量和温度已知。出水口的流量已知、温度由计算确定。绝热内壁的热流密度为0,壁厚等其它参数为常数。等温边界的温度为恒定值已知,壁厚等参数为常数。定解条件详见表2。

模拟计算时首先建立二维模型结构化网格,单元网格总数为5000个,计算收敛条件为残差控制在1×10- 3以下,然后采用有限体积法进行数值模拟求解。

2 数值模拟的计算结果及分析

2. 1 温度场计算结果分析

图2、图3是进水温度皆为298K时不同进水流量的土壤温度等值线图,取研究区内温度变化明显的区域为计算区域长60m,深30m。图中显示了288. 1K、290. 6K、290. 3K、95. 4K、297. 9K等共5条等值线。在图2中,288. 1K温度等值线长度在6h、12h、18h、24h共4个不同时间逐步增加,其余温度等值线亦服从该规律。从土壤温度等值线图还可看出,土壤层由于流入较高温度的水使得其温度随时间逐渐升高,但没有超过进水温度值。土壤温度分布以单井循环地能换热井为对称轴,向两侧逐渐降低; 土壤温度自顶板向底板逐渐降低。对比图2、图3可以看出二者进水温度相同,由于图2进水流量高于图3导致前者的土壤层温度高于或等于后者同一位置的土壤温度。当进水流量相同时,进水温度高的同一位置土壤层温度也较高,在此不再赘述。

2. 2 流场计算结果分析

计算域的流场计算结果主要包括水流速度分布和压强分布。图4、图5的计算区范围为长度X =80m,深度Y = 40m的矩形区域,宽度为单位宽度。图4是单井循环换热地能采集井计算区域水流速度等值线图,从图中可以看出在单井循环换热地能采集井的进水口和水泵抽水区处的水流速度达到最大,距离越远流速越低。进水口附近的水流速方向是由地能采集井向外,水泵抽水区附近的水流速方向是水从土壤侧流向抽水区。水流速度在土壤中约为1. 0e-5数量级,由于水流速度很小,土壤中水流速度等值线图随时间变化很小。

图5是单井循环换热地能采集井计算区域的水压等值线图,从图中可以看出水压以X = 40m为对称轴对称分布,在进水口处水压达到最大值,水泵抽水区处水压达到最低值,亦可看作压强值从水泵抽水口处最低值开始向四周方向逐渐增高。土壤中水压值随时间基本无变化。

3 进水参数对出水温度的影响分析

对进水参数本文主要考虑不同进水流量及进水温度对出水温度的影响。通过数值模拟计算得到不同时刻的出水温度,进而得到进水参数不同时出水温度的变化规律。

3. 1 进水流量对出水温度的影响分析

同一进水温度不同进水流量时的出水温度不同,进水流量越大则出水温度越高; 反之出水温度越低( 图6、图7) 。对图中每一条曲线而言,随着时间延长出水温度逐渐增高,逐渐接近进水温度。当土壤初始温度低于进水温度时,出水温度不高于土壤的初始温度。对于图6、图7的中的相同时间点,由于前者进水温度低导致其出水温度明显低于后者。

3. 2 进水温度对出水温度的影响分析

从图8可看出同一进水流量进水温度不同时,进水温度越高出水温度也越高; 反之亦然。从图8、图9还可看出进水流量相同时进水温度越高则出水温度越高,适当减小进水流量可得到较低的出水温度。适当增加进水流量可得到较高的出水温度及较大的出水流量。进水流量相同温度不同时,二者出水温度的差值随时间变化较小。图8中同一时刻两条曲线的温差略高于图9中的对应值,这是由于前者进水流量高于后者所致。

4 土壤温度的时空变化规律分析

4. 1 土壤中固定位置的温度随时间变化的计算结果及分析

图10为取自10m深处土壤温度随水平距离变化的曲线,从图中可以看出温度随时间变化逐渐增高,直至接近进水温度此后不再发生变化。土壤温度曲线由几字形逐渐变为铁锅形,最终变为接近进水温度的近似水平直线。说明该深度土壤温度随时间逐渐增高,愈靠近左右两端的位置其温度随时间变化幅度越大。

图11为取自距离单井循环地能采集井10m处观测井在不同时间土壤温度随深度变化的曲线。从图中可看出该处土壤温度随时间变化逐渐升高,直至接近进水温度后不再发生变化。用土壤温度对土壤深度的微商表示温度梯度时,温度梯度随时间变化逐渐减小,且基本遵循愈靠近地面处温度愈高。由于温度场随时间逐渐从地能采集井向外扩散导致了图10、图11所示温度曲线的形状。

4. 2 土壤中固定时间的温度随位置变化的计算结果及分析

图12为3d时取自不同深度 ( 土壤深度分别为10m、20m、30m) 处土壤温度随水平距离变化的曲线,从图中可以看出温度随深度增加逐渐降低,直至接近土壤初始温值,此后不再发生变化。土壤温度曲线由“头盔”形最终变为接近土壤初始温度值的近似水平直线。这说明该时刻土壤温度随水平距离的增加逐渐降低,靠近中间位置其温度随距离变化幅度越大,由接近土壤初始温度升高至接近进水温度值。

图13为取自距单井循环地能采集井从地面至计算深度分别为5m,15m,25m的3条垂线处土壤温度随深度变化的曲线,从图中可以看出如下温度变化规律: ( 1) 竖直垂线深度为0 ~ 24m时,距单井循环地能采集井愈近土壤温度愈高,温度由高到低顺序为: T5m> T15M> T25m,反之亦然。 ( 2) 竖直垂线深度为24 ~ 28m时,温度由高到低顺序为:T15m> T5m> T25m,这是由于距离为5m时,出水口很近,进入土壤的较高温度水来不及与土壤进行能量交换就由出水口水泵抽走所致。距离为25m时,由于距地能采集井较远,土壤与进水之间的热交换活动较弱,该处温度最低。距地能采集井为15m时,由于距地能采集井距离适中土壤与进水之间的热交换活动较强,因此该距离温度最高。( 3) 竖直垂线深度为24 ~28m时,温度由高到低顺序为: T15m> T25m> T5m,在该深度时距地能采集井25m温度高于5m处,由于距离出水口较远,受水泵的抽吸作用减弱,而受到进水热扩散活动逐渐增强所致。

综上所述,采用数值模拟方法可以对单井循环换热地能采集井在不同流量不同水温时的工况进行较为准确的模拟,进水温度愈高则土壤温度及出水温度愈高,反之亦然。对土壤中的不同位置不同时间的温度,只有通过数值模拟才能得到准确结果。

5 结论与建议

本文通过单井循环换热地能采集井的数值模拟分析说明数值模拟计算是浅层地热能研究的一种有效方法,能够准确模拟、预测土壤及出水介质的温度变化,对于浅层地热能的理论研究及生产实践具有重要的指导意义和参考价值。

通过调整进水流量、进水温度值可得到不同出水温度,采用数值模拟方法比模型试验及现场试验可以节约资金,缩短工期。

从模拟结果可以看出,相对于传统浅层地能采集装置水源热泵,单井循环换热地能采集井由于实现了同层回灌,进水流量等于回水流量,无地下水的损失且避免了潜在的地质灾害。相对于传统浅层地能采集装置地源热泵,由于单井循环换热地能采集井实现了循环水与土壤水间的热交换,从而极大提高了热交换效率。

单井循环换热地能采集井的工作是一个复杂的水文地质与物理过程。浅层地热能的换热包括多孔介质的传热过程和传质过程,只有对上述物理过程继续进行深入细致的研究才能深刻正确揭示出浅层地热能的换热机理,以期更好地服务于实际生产。

摘要：本文采用数值模拟方法,针对单井循环换热地能采集井这种新的浅层地热能开发方式进行了相关的数值模拟及其结果分析。模拟内容主要有土壤温度场、流场、出水温度等。结果表明,通过数值模拟是分析单井循环换热地能采集井的一种有效方法。上述模拟结果也为今后的研究和生产提供了重要参考。

关键词：地热能,数值模拟,温度场

参考文献

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