淺層地熱能利用技術(shù)的經(jīng)濟利益分析

  地熱能是地球內部貯存的熱能,它包括地球深層由地球本身放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能及地球淺層由接收太陽(yáng)能而產(chǎn)生的熱能。前者以地下熱水和水蒸氣的形式出現,溫度較高,主要用于發(fā)電、供暖等生產(chǎn)生活目的,其技術(shù)已基本成熟,歐美國家有很多用于發(fā)電,我國則多用來(lái)直接供熱,這種地熱能品位較高,但受地理環(huán)境及開(kāi)采技術(shù)與成本的影響因而受限較大;后者由太陽(yáng)能轉換而來(lái),蘊藏在地球表面淺層的土壤中,溫度較低,但開(kāi)采成本和技術(shù)相對也低,且不受地理環(huán)境的影響,特別適合于建筑物的供暖與制冷,因而受到了暖通空調及節能行業(yè)越來(lái)越多的關(guān)注。

 

  地球表面是一座巨大的天然太陽(yáng)能集熱器和儲熱庫。到達地球表面的太陽(yáng)能相當于全世界能源消耗量的2000倍,只是由于太陽(yáng)能能流密度低,地球表面的溫度變化大,使得對這部分熱能的直接利用困難較多。但實(shí)際上,溫度受天氣變化影響較大的部分主要集中在地表面至地下10m之間的區域內,從10m深度再往下,大地溫度就穩定在當地全年的平均氣溫上了。我國大部分地區這個(gè)溫度都在15℃左右,如果把這樣的溫度搬運到地面上來(lái)稍做處理,就可成為很好的空調系統,這就是目前淺層地熱能利用的主要方式。

 

  淺層地熱能利用通常需借助于熱泵,它是一項新興綠色節能技術(shù)。在冬天它以大地為低溫位熱源,從大地中提取熱量,經(jīng)過(guò)地面上熱泵的轉換,提高溫位向房屋供暖;在夏天則以大地為高溫位熱源,將房屋內的熱量輸送到大地土壤中。由于地下溫度十分穩定且很接近房屋居住所需的溫度,因此,相對于以大氣環(huán)境為熱源的熱泵和燃煤、燃油的供暖供冷系統,以大地為提取熱量或排放熱量的熱源的熱泵效率大大提高,同時(shí)還減少了燃燒產(chǎn)物的排放和制冷劑的用量,對環(huán)保十分有利。

 

  從大地土壤中提取熱量用于房屋的供暖早在20世紀30年代就已提出,只是由于長(cháng)期以來(lái)石化燃料價(jià)格低廉,供應充足,它才沒(méi)有得到重視,導致其進(jìn)展緩慢。到20世紀80年代以后,由于全球性能源緊張和環(huán)境污染日趨嚴峻,這項技術(shù)才逐漸受到青睞,目前已趨于成熟,正在歐洲、北美和日本得到推廣應用。在我國則還處于實(shí)驗研究階段,目前國內幾家科研院所和高校正在開(kāi)展這方面的研究,要進(jìn)入商業(yè)化的實(shí)際工程應用尚需進(jìn)行長(cháng)期不懈的努力。

 

  2淺層地熱能利用系統及其特點(diǎn)

 

  淺層地熱能屬于低品位熱能,直接使用達不到一般要求的溫度,通常需設置一套熱泵,組成地熱能熱泵利用系統,將地下熱能的溫度進(jìn)行一定的提高或降低。因此,地熱能利用系統主要由熱泵、地熱換熱器及用戶(hù)端組成,而其中地熱換熱器是關(guān)鍵。

 

  2.1地熱能熱泵地熱能熱泵的工作原理與通常的熱泵相同,都是由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節流裝置組成。通過(guò)消耗一部分高品質(zhì)能源即電能,吸收低溫物體的熱能排放給高溫物體,實(shí)現供熱和制冷的目的,其熱泵示意圖如圖1所示。只不過(guò),通常的熱泵以大氣環(huán)境為其吸熱或放熱的熱源,大氣溫度的劇烈變化導致常規的熱泵效率低下,不僅消耗大量高質(zhì)能源,而且惡化了周?chē)沫h(huán)境溫度,使得夏天更熱,冬天更冷。

 

  與常規熱泵不同,淺層地熱能熱泵以近地表層土壤為其吸收熱量或排放熱量的熱源。在冬天,地熱能熱泵從土壤中吸取熱量,供給熱泵的蒸發(fā)器,經(jīng)壓縮機提高溫度后,傳到熱泵的冷凝器,向房屋供熱;在夏天,地熱能熱泵通過(guò)其蒸發(fā)器從房屋內吸收熱量,經(jīng)壓縮機、冷凝器而排放到土壤中。因為土壤溫度全年基本維持不變,熱泵系統的操作可以設計得十分精確,使得工作穩定而高效。

 

  地熱能熱泵可以很小,單個(gè)住戶(hù)只需一套熱泵;也可以很大,商業(yè)上可采用多套或多級熱泵,唯一的要求是需要足夠的土地,使熱交換能夠充分進(jìn)行,最節約的方式是在建筑施工的起始階段就安裝地熱能熱泵,這樣,房屋結構就不會(huì )阻礙熱泵與地下熱源的聯(lián)系。地熱能熱泵以大地為吸收或排放熱量的熱源,在有地下水源的地方,不需要專(zhuān)門(mén)的地下換熱器,可以直接抽取地下水,經(jīng)過(guò)去除雜質(zhì)的處理后,根據供暖或制冷的目的,送給熱泵的蒸發(fā)器或冷凝器,完成熱量交換后回灌到地下或排放到別的地方。在沒(méi)有水源的地方,熱泵要與土壤交換熱量,就需要設置專(zhuān)門(mén)的地下換熱器。所以,在結構上它與常規熱泵最大的不同就是需要一套地熱換熱器。2.2地熱換熱器地熱換熱器的性能與當地土壤的性能密切相關(guān),它設計得合理與否直接影響地熱利用效率和投資成本,是地熱泵成功應用的前提,也是當前淺層地熱利用技術(shù)推廣的難點(diǎn)。淺層地熱能熱泵所用地熱換熱器就是在地面下埋設的封閉管道回路,這些管路通常由高密度聚氯乙烯或聚丁烯塑料管組成,用泵將換熱介質(zhì)送入這些地下管道與地下土壤進(jìn)行熱量交換,然后回到地面與熱泵進(jìn)行換熱,換熱介質(zhì)通常為水的鹽溶液,封閉在管路系統,在地面上的熱泵與地下?lián)Q熱器之間循環(huán)流動(dòng),完成換熱任務(wù)。

 

  地下管道埋設方式有水平式和垂直式兩種形式。水平埋管式通常淺層埋設,工程量大而開(kāi)挖技術(shù)要求不高,初投資低于豎直埋管式;缺點(diǎn)是占地面積大,溫度穩定性也較差,現在已很少采用。豎直埋管式工程量小,占地面積少,恒溫效果好,維護費用少,適合于用地緊張的城市;缺點(diǎn)是技術(shù)要求較高,初投資較大。

 

  豎直埋管式地熱換熱器目前應用較多,發(fā)展較快。它是在地面下豎直鉆孔,在孔內埋入換熱管,換熱管的形式又有兩種:U型管式(見(jiàn)圖2)和套管式,目前以U型管應用較多。地下鉆孔的孔徑一般為100～150mm,孔間距和深度取決于土壤的熱性質(zhì)和氣象條件并隨地理位置而變?？咨钜话銥?00～300m,孔間距為4～10m,鉆孔總長(cháng)度由建筑面積的大小而定,一般是每平米建筑面積鉆孔長(cháng)度1m左右。

 

  每一豎直鉆孔內可放入一組或兩組U型塑料管,管徑25～35mm,塑料管下端用U型接頭接好,形成一個(gè)U型封閉管路。然后將鉆孔與管道之間的空間填埋夯實(shí),填埋材料可以采用當地土壤,也可以選用與當地土壤性質(zhì)接近的混凝土。各鉆孔內,管道之間的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。

 

  串聯(lián)形式就是換熱介質(zhì)依次流過(guò)每個(gè)鉆孔內的U型換熱管路之后再回到地面與熱泵的制冷劑進(jìn)行熱量交換。并聯(lián)形式就是換熱介質(zhì)同時(shí)分配到地下各個(gè)鉆孔內的換熱管路,與土壤交換熱量后,同時(shí)流回地面進(jìn)入地面上的熱泵與制冷劑交換熱量,這兩種方式各有利弊。串聯(lián)系統的優(yōu)點(diǎn)是:單一流程和管徑;管道的線(xiàn)性長(cháng)度有較高的熱性能;系統的空氣和廢渣易于排除。缺點(diǎn)是:需要較大的流體體積和較多的抗凍劑;管道費用和安裝費用較高;長(cháng)度壓降特性限制了系統的能力。

  并聯(lián)系統的優(yōu)點(diǎn)是:管徑較小因而管道費用較少;抗凍劑用量較少;安裝費用較低。缺點(diǎn)是:一定要保證系統的空氣和廢渣的排除;在保證等長(cháng)度環(huán)路下,每個(gè)并聯(lián)線(xiàn)路之間流量要保持平衡。

 

  2.3經(jīng)濟性及環(huán)保性地熱能熱泵的能源利用效率比通常的熱泵提高45%～70%,通常每消耗1kW的功率可得到4kW的熱量或冷量。地熱能熱泵的投資回收期依賴(lài)于熱泵系統的大小、運行時(shí)間的長(cháng)短和當地的能源價(jià)格,因設置地熱能熱泵而多投資的費用的回收期通常為5年左右,總的投資回收期為10～14年。

 

  由于以大地土壤中的低品位熱能為低溫熱源,所以,在為住宅供暖制冷時(shí),僅需驅動(dòng)熱泵運行的電力供應,而不需要別的熱能,不需要鍋爐來(lái)燃燒燃料供應熱能。同時(shí),由于土壤溫度基本恒定,因此熱泵的運行效率較通常熱泵的效率高,而且無(wú)論是CO2的排放還是制冷劑的使用都比常規的熱泵為少,對環(huán)境的破壞和污染就相應減少。

 

  2.4面臨的問(wèn)題

 

  目前我國淺層地熱能利用面臨的問(wèn)題首先是這項技術(shù)在我國還沒(méi)有達到成熟,缺少這方面的設計、安裝、維修技術(shù)人員,相關(guān)的生產(chǎn)廠(chǎng)家也太少,大多數人對它還比較陌生,歐美國家的土壤、氣象條件與我國差異較大,不能照搬別人的現成技術(shù);其次,我國政府需要加大對這一問(wèn)題研究的支持力度,在開(kāi)發(fā)與商業(yè)化過(guò)程中,提供減免稅收、低息貸款等優(yōu)惠政策。淺層地熱能利用涉及土壤學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、建筑材料學(xué)、鉆井技術(shù)、熱泵技術(shù)等多個(gè)學(xué)科,影響因素眾多。其中的關(guān)鍵技術(shù)是地下?lián)Q熱器的優(yōu)化設計、土壤熱性能研究、回填材料的研發(fā)和熱泵系統的合理配置。每一個(gè)方面都需要科技工作者進(jìn)行長(cháng)期而艱苦細致的工作。3結束語(yǔ)當前我國的能源利用效率仍明顯低于世界平均水平,隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的繼續快速發(fā)展,能源的供需矛盾將會(huì )日益尖銳?，F在,我國已超過(guò)日本成為繼美國之后的世界第二大石油進(jìn)口國,而我國的GDP總量只及日本的1/6,這說(shuō)明很多能量都由低效使用而浪費掉了。而我國的暖通空調工業(yè)基礎又相對薄弱,隨著(zhù)人民生活水平的不斷提高,這方面的市場(chǎng)潛力也十分龐大,選擇何種技術(shù),會(huì )對我國的能源戰略和環(huán)境保護造成截然不同的結果。淺層地熱能熱泵兼具節能與環(huán)保兩大特點(diǎn),我國地域遼闊,近地表低溫地熱資源豐富,十分適合采用這項新興技術(shù),隨著(zhù)國家可持續發(fā)展戰略的實(shí)施,它將在我國得到很大發(fā)展。