地热资源开发利用

浅层地能(热)开发利用中值得注意的问题

  地表水(江、河、湖、海等)、空气、城市污水、电厂循环冷却水等低品位热源都很方便被采集,供热泵提升后为建筑供暖(冷)。地表水低温能量的采集虽然很方便,但受气候的影响,温度变化很大,特别是北方寒冷地区.水温和气温很低,能量采集必须考虑结冰防冻问题,同时由于温度过低,热泵系统的能效比(COP值)降低并同时影响其额定热输出功率。
 
  浅层地能(热)(地下水和土壤)的能量采集虽然不如前者来的方便,但是其低温能量相对很稳定,温度水平略高于当地气候的年平均温度,春夏秋冬基本恒定,只要能量采集的工艺手段恰当合理,热泵系统的能量平衡是相对稳定的。
 
  浅层地能(热)开发利用应注意如下一些问题。
 
  (一)浅层低温地能(热)是建筑供暖f冷)能源的最佳选择。
 
  浅层地能(热)一般温度相对恒定《25℃),经过热泵提升至建筑供暖需要的温度(一般50-60℃),热泵系统能效比很高(一般COP可达3-5),这种能量地下储量巨大,且可恢复再生,夏季制冷时将热量排入地下,冬季供暖时在地下取热,再将冷量排人地下,循环利用。对于无地下水流的水文地质条件它可平衡地下温度场。浅层地能(热)热泵系统可用于建筑供暖(冷),也可以用于工业生产所需要的冷热源浅层地能(热)在开发利用中重点应放在建筑物的供暖(冷)方面。
 
  在工业发达的国家中,建筑物是能源消耗的大用户。随着经济的发展,人们生活品质的提高和对舒适生活环境的追求,建筑物的能源消耗比例也逐渐加大。以20世纪80年代美国为例,建筑物(包括住宅和商业楼)消耗的能量占总耗能量的33.6%。其中用于采暖达53.3%(相当于总耗能量的17.9%),热水耗能量12%(相当于总能耗的4%),空调耗能量7.4%(相当于总能耗的2.5%),制冷6.5%(相当于总能耗的2.2%),其他20.8%(相当于总能耗的7%),也就是说,建筑中约有80%的耗能量(相当于总耗能的26.6%)  用于采暖空调生活热水供应。90年代瑞典建筑物的能耗已占全国总能耗的45%。因此,建筑物选用合理的供热系统,对节省能耗意义重大。
 
  浅层地能(热)的热泵供暖(冷)系统,不仅能源利用是高效的(一般用l kW的电,采集3 kW浅层地能,为建筑物提供4 kW的热功率),而且,在整个供暖(冷)过程中,无任何气态、液态和固态排放物,实现使用区域的零污染。这种可再生的低温地热能广泛应用于建筑供暖(冷)领域,确实是一项重大的能源变革。
 
  (二)保护地下水资源,采用单井抽灌技术
 
  浅层地能(热)(地下水、土壤)虽然储量巨大,四季可再生,但对于具体的地域不同的水文地质条件,其开发利用还是要有选择的,什么场合适合于浅层地下水低温能量的采集,什么场合适合于土壤低温能量的采集,采集的规模多大,用何种方式,开发利用不能过度,否则不仅影响经济性、安全性,还会造成地下水文地质条件的破坏。
 
  地下水资源的利用——低品位热采集技术使用和限制的条件可考虑如下几点:
 
  (1)我国地下水四季温度不同地区一般为6-24℃,基本保持恒温(见表2-12)。采用电动压缩式热泵,利用地下水的低品位热源,对建筑物供暖(冷)是十分有价值的,如100 t/l冰利用5℃温差,经热泵技术提升后供暖,可提供约700 kW的热量,这相当于1 t/h锅炉的供热量,一个采暖季可替代标准煤325 t(或206 t轻柴油,或25万m,天然气)。这是我国解决冬季供暖、夏季制冷的重要节能环保措施,政策上应积极给予支持。
 
  (2)采集地下水低品位热时,要求做到:只用其热,不消耗水,用后必须回灌地下。除非有较大需水用户进行二次利用外(需特批)。
 
  (3)地下水采集井深度应避开地下生活饮用水区(一般在400 m以下)。在地下水有条件的地区应尽可能采用地下百米以内的浅层地下水,作为低品位热能的采集区。
 
  (4)回灌水尽可能就近回灌。在不影响热动力工况下,应积极推广“单井抽灌”技术
 
  不具备“单井抽灌”条件的可采用双井,一抽一灌,且回灌井应设置在抽水井的上游区,井位间距离一般应在10-20 m。
 
  (5)地下水采集井、回灌井的井位应远离城市区域供水站,且应设置在其下游区,间距应大于100 m。
 
  (6)回灌井深度不宜接近地下生活饮水区,一般与抽水井深度相当(同层回灌)。
 
  (7)回灌水必须受监控(具体办法另定),严防被污染,杜绝水资源的浪费和污染,有效合理地利用地下水资源
 
  (8)采用地下水源热泵时,水源的选择条件应为:水量充足,水温适当,水质良好,供水稳定,易于回灌。具体应考虑:①地下水取水深度多在100 m以内;②各含水层厚度一般应大于5 m;③冬季地下水温应不低于10℃;④地下水含沙量应不大于1/200 000;③回灌水严格控制其水质,基本与抽水水质保持不变,一般水中氧化钙含量应低于200 mg/L,总矿化度应小于3 g/L,氯离子含量应小于100 mg/L;硫酸根含量应小于200 mg/L,铁离子含量应小于1 mg/L;硫化氢含量应小于0.5 mg/L。
 
  (9)目前,虽然还没有回灌水水质的国家标准,但回灌水至少应等于原地下水水质,以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染。因此,应遵守以下条款:①地下水应在封闭系统中输送;②热泵空调系统中与地下水接触的部件应采用耐腐蚀材料制造;③取水管路上和回灌水管路上应装有水表和采集水样用的旋塞阀;④定期对地下水进行化验,并将化验结果报送有关部门备案;⑤如发现地下井水异常,特别是水中出现化学物质或其他无关物质时,应及时与有关部门联系,并采取措施。
 
  (10)地下水回灌的方法有三种,即真空回灌、重力(自流)回灌和压力回灌。
 
  ①真空回灌。真空回灌是利用颇低的静水位(低于地面10 m)形成真空进行回灌,含水层渗透性要良好。由于回灌时,对井的滤水层冲击力不强,所以很适用于老井。采用真空回灌,对于颗粒含水层,回灌量一般为取水量的1/3 - 1/2;对于粗颗粒含水层,回灌量可达取水量的1/2 - 2/3。
 
  ②重力回灌。依靠自然重力进行回灌也适用于低水位和渗透性良好的含水层,此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层,此法的优点是系统简单。对于砂卵石含水层,其回灌量一般为取水量的50%;对于渗透性好的砾石层来说,回灌量可达取水量的75% -90%。
 
  ③压力回灌。压力回灌用于高水位和低渗透性的含水层,其缺点是回灌时对井的滤水层和含水砂层的冲击力强。
 
  (11)为了预防井管堵塞,及时清除堵塞含水层和井管的杂质,在进行回灌以后,经常开泵,排除回灌井水中的堵塞物,即进行回扬。回灌并的回扬次数和回扬持续时间,主要取决于含水层颗粒大小和渗透性。在岩溶裂隙含水层中的回灌井,长期不回扬,回灌能力仍能维持不变;在松散粗大颗粒含水层中的回灌井,每周回扬1-2次;在中、细颗粒含水层中的回灌并,回扬间隔应进一步缩短;而对于细颗粒含水层中的回灌井来说,经常回扬尤为重要。
 
  (12)尽可能加大使用温差,减少地下水用量,并降低输送动力。
 
  (三)与高舒适度低能耗建筑配用,合理的运行设置至关重要。
 
  浅层地能(热)开发利用建筑供暖(冷)是建筑供暖(冷)能源上的革命,但为使其高效安全经济运行,降低初始投资,提高使用寿命期的投资回报率,使其为社会认可,使用者易接受。这项技术在推广使用的同时必须与建筑节能技术相结合,在节能建筑上的应用  会产生更大的效益。
 
  目前我国能耗消耗总量每年达13亿t标准煤,已占世界第二位,其中城市建筑能耗占1/5-1/4.但是;我国建筑单位面积能耗_仍是气候相近的发达国家的3-5倍,建筑能耗大是十分严重的。目前欧洲低能耗建筑执行的标准(建筑热指标)为15 - 25 W/m2。
 
  我国1996年7月1日施行的“民用建筑节能设计规范”规定采暖热指标为20 - 22.7W/平方米。高舒适度建筑是指建筑物室内自由温度冬季约16℃、夏季约27℃。
 
  建筑物室内自由温度冬夏控制在一定范围内即可,不必将冬季室内控制温度设定过高,夏季设置过低,这样冬季可大幅度节约供暖能源,夏季减少用电峰值的同时,又防止了因室内外温差过大而感冒。家庭生活的点滴习惯背后,隐藏着惊人的电力消耗。就拿夏季空调来说,居民家用空调能耗在城市夏季用电中的比重一般达到15%左右,以北京为例,全市空调普及率为70%,居民空调装机容量约占全市最大供电负荷的17%。空调的设置温度不宜过低,最高设定为27-28℃。冬季、夏季室内温度每调低、调高1-2℃,其功率消耗将下降5% - 10%。全国13亿人口,平均每人每天节约1 kWh电,一年下来就会少烧2亿多盹原煤。对节能建筑,浅层地能(热)热泵供暖(冷)合理的运行是十分重要的,这不仅仅是节约能源,还使浅层地能采集产生更大效益,降低成本,更有竞争力。
 
  实现高舒适度低能耗建筑的具体措施如下:
 
  (1)墙体、屋面围护结构的保温,使传热系数降至0.2-0.3 W/(m2.K);(2)有效遮阳措施:
 
  (3)优良窗性能(合理的采光面积,良好的密闭性);(4)采用LOW-E玻璃;(5)匹配的采暖空调系统(如浅层地能热泵系统);(6)网层隐蔽节水型排水系统等。
 
  (四)浅层地能(热)的采集规模设计应与建筑物供暖(冷)面积(冷热负荷)相匹配。
 
  我们知道,土壤、砂石、岩石及地下水的导热能力很差(A黄土=1.41,λ砂岩=2.0,λ回填砂-2.2,λx=0.5,λ水=0.6,λ混凝土=0.75 - 0.8,λ金属=2.2 - 420,λ铜=386 W/( m'℃),如果不考虑如下因素:①地下水渗流的影响;②地下土壤对流和辐射的传热;③地下水文地质的特殊构成的影响。仅考虑热传导的话,地下低温能量的传送是很慢的,也就是说,地下具有一定储热、储冷能力,热泵夏季供冷时把热量送人地下,冬季利用可储存的热量提升后为建筑物供暖,而把冷量送入地下储存起来。当然,如果考虑上述三个因素后,地下储能在冬夏都有流失。
 
  另一方面,打井取地下水的低温能量和打竖孔用埋管取土壤砂石的低温能量,对一个单元体来说,两者的能量采集是有差别的。前者取决于地下水量和水温,一般打一口井可采集的热量和对应的供暖面积参考值如表2-13所示。
 
  地下含水层渗透系数K( m/d)和井的出水量有密切关系,在不同的地下水文地质条件下,渗透系数各不相同,一般K>10称强透水性;K=1-10称透水性;K=0.01-1称半透水性;K= 0.01-0.001称弱透水性;K<O.O01为不透水性。一般从浅层地能(热)采集角度,我们希望地下水的渗透系数K>5,处于富水区,每小时每米降深可提供3.6m3以上的水量,当K= 10时,可提供地下水量达18 立方米/(h' m)。按5m降深取水,出水量可达每小时90 立方米。
 
  工程设计中,取水井离需供暖的建筑物不宜过远,一般超过10 m即可。根据供暖面积和制热负荷及冬季地下水温状况确定打并的数量,通常每口井的出水量(对于富水区)在60 - 200  立方米/h范围供选用。对于万平方米建筑供暖一般打1-2口井即可,对于大型建筑群供暖,需要打多口井,项目设计中可以采用两种方案,视具体情况而定。
 
  (1)多井联网,集中机房,楼群统一供暖;(2)单井与建筑直联,分散机房,单元分散供暖。
 
  打多井时,井间布置应垂直地下水渗流方向,井间距至少应保持10 m以上。
 
  浅层地能,土壤取热所采集的能量比有地下水的地方差的很多,一般钻一个100 m以内的孔仅靠土壤岩石的换热可采集的热功率为2.5-3.5 kW。土壤竖孔单元体内储存的低温能量有限,在地下深100 m,井的影响区按国外数据6m直径计算,该圆柱体积储存的可采集的(5℃温差)低温热量为4 100万kj(相当于1.4 t标准煤),若每个竖孔的热采集功率为3 kW,储存地下这部分的热量可维持158天,即满足一般北方城市4个多月的采暖需求。若井的影响区按国内某些院校的数据3m直径计算,该体积内储存的可采集(5℃温差)的低温热量为1 034万kJ相当于354 kg标准煤),同样每个单元竖孔热采集功率为3 kW时,它仅能维持40天的供暖需求,看来竖孔间距3m偏小,至少Sm以上的间距才能基本满足需要。以上是简单的估算,有待试验进一步验证。
 
  (五)浅层地能(热)的能量采集是热泵供暖系统的关键。
 
  在工程配套设计施工中不仅要从能量的稳定、合理的采集考虑,还要特别注意环境效益,不污染地下水,不破坏地下地质结构,保护地下水资源,具体考虑如下:
 
  (1)热泵供暖系统用地下水采集其浅层地能(热)时,应遵循如下原则:①积极支持浅层地能(热)可再生能源的采集开发和利用;②打井深度限制在地表浅层400 m以内,远离400 m以下的国家二级水质区域,保护生活饮水区,根据具体的水文地质条件确定打井深度,一般在100 m以内(地下水受污染层);③只用其热,不耗其水,用热后必须全部回灌,并监控回灌的实施;④对于一抽一灌、一抽多灌的双井和多井要严格审批,限制打井数量;⑤井间距和井与建筑物的相对位置要合理;⑥井位要远离城市供水站;⑦能打少井不打多井,地下水不可过度开采;③系统采用大温差小流量,以降低动力消耗等。
 
  (2)积极推广单并抽灌技术,水系统封闭回路运行,回灌水质对地下水未构成污染,平衡地下水位,防止移砂、抽空和淤塞。
 
  (3)无论何种方式回灌水的水质、水温必须监控,回灌水水质至少应与原采集地下水的水质相当,并定期化验。
 
  (4)浅层土壤低温热量采集,竖孔深度、数量、孔间距应根据具体地域、土壤结构、所需负荷大小来确定:①一般每个竖孔低温土壤热采集量为2.5-3.5 kW,孑L间距以保持S m以上为宜;②土壤埋管采用U形高密度PEX管,地下应无接头,若采用钢制套管式换热器,要考虑防腐;③竖孔孔径不宜过大(用U形管换热器一般Φ150即可,若用套管式换热器,孔径一般小于400 mm);④竖孔土壤埋管周围回填料应按一定比例粒径特殊制作,以强化与土壤接触边界层换热的能力,可以做到导热系数比土壤大1倍左右;⑤考虑投资成本和占地面积、土壤取热的热泵供暖系统更适合于小型建筑面积,一般以1 000 平方米以下为宜。