地熱能熱泵技術(shù)在高寒地區道路中的運用

  0 引言

 

  地熱能取之不盡用之不竭，有著(zhù)巨大利用價(jià)值。地熱能熱泵系統，是一種利用地下地熱資源進(jìn)行采暖、制冷、供熱水、發(fā)電等的系統。它只需輸入少量的電能，利用逆卡諾原理即可將能量由低溫熱源向高溫熱源轉移。尤其是在冬季，可以吸取土壤中的熱量，再將溫度提高到一定程度后運送到建筑物或者室內用于取暖。將地熱能用于道路橋梁以及機場(chǎng)碼頭的融雪化冰和防凍，是一項重大技術(shù)創(chuàng )新舉措，該技術(shù)的應用推廣對高寒地區冬季保證道路橋梁以及機場(chǎng)碼頭的暢通具有十分現實(shí)的經(jīng)濟和社會(huì )意義。

 

  1 地熱能的原理與應用

 

  1.1 地熱能簡(jiǎn)介

 

  地熱能是地殼中因太陽(yáng)能量粒子與地核放射元素粒子交互作用產(chǎn)生的能量。它是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。地熱能在溫度上劃分為高溫地熱和中、低溫地熱，在中國一般界定溫度為150℃。高溫地熱能一般為深層地熱能，中、低溫地熱能一般為淺層地熱能。深層地熱能主要用于發(fā)電，而低溫地熱能一般需要使用相關(guān)技術(shù)提取熱量后再利用，提供采暖、生活熱水等。

 

  深層地熱能可遇不可求，開(kāi)采難度大，而淺層地熱能遍布地球的任何角落。從地面20m到地下400m，地球存在著(zhù)一個(gè)14℃～18℃的恒溫層，蘊藏著(zhù)取之不盡的能源。淺層地熱能已經(jīng)廣泛用于采暖、制冷、供熱水、烘干、冷藏冷凍、種植養殖等領(lǐng)域，在不久的將來(lái)還會(huì )迅速用于發(fā)電。是融雪化冰和防凍技術(shù)中最經(jīng)濟、最可靠的手段。

 

  1.2 地熱能的應用

 

  人類(lèi)利用地熱能的歷史悠久。20世紀中葉后，人們才開(kāi)始真正認識地熱資源，并進(jìn)行較大規模的開(kāi)發(fā)利用。之后，地熱能的利用便在許多領(lǐng)域中開(kāi)展。地熱發(fā)電便是地熱利用最直接的方式。地熱發(fā)電和火力發(fā)電所采用的基本原理是一樣的，但它們的不同之處在于地熱發(fā)電不需要消耗煤炭等燃料，而且也不需要龐大的機器設備。地熱供暖因簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟性好，受到各國的重視。其中冰島開(kāi)發(fā)利用得最好，1928年冰島建成了世界上首個(gè)地熱供熱系統，現今地熱供熱系統已發(fā)展得相當完善，其技術(shù)的使用已經(jīng)非常成熟，應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。

 

  但是，深層地熱能往往深藏在地下數千米，勘探開(kāi)采成本和風(fēng)險極高。而淺層地熱能開(kāi)采簡(jiǎn)單、維護容易、成本低廉，不受氣候環(huán)境的影響，在各種能源結構中最具有經(jīng)濟性和實(shí)用性，將成為新能源開(kāi)發(fā)的主力軍。

 

  近年來(lái)，在國家大力扶持下，我國利用淺層地熱能供暖、供熱水和制冷等技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在北方城市，比如在京津地區。

 

  2 利用地熱能的關(guān)鍵技術(shù)——熱泵

 

  目前地熱能利用技術(shù)主要是地源熱泵，其所具有的節能、環(huán)保特性，在國外已得到廣泛的關(guān)注與重視。我國在該領(lǐng)域的發(fā)展也已經(jīng)有十多年，但是總體技術(shù)水平仍然不及一些發(fā)達國家，地源熱泵技術(shù)的發(fā)展空間仍然十分巨大。因此在中國優(yōu)先發(fā)展高效熱泵循環(huán)系統、地熱換熱等方面將會(huì )非常重要。另外，淺層地熱能與其他能源互補循環(huán)、梯級利用的智慧能源系統，將把地熱能開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新的階段。

 

  2.1 熱泵技術(shù)介紹

 

  地能熱泵，也稱(chēng)作地源熱泵。主要分為地表水、地下水和土壤源三種形式。在地下水和土壤相對穩定的情況下，地源熱泵通過(guò)從地表水、地下水和土壤中換熱，實(shí)現熱量由低位熱能區向高位熱能區的轉移。

 

  土壤源熱泵工作原理如圖1所示：

 

  冬季利用熱泵機組從土壤熱能中吸收熱量，然后將其傳輸給地面的建筑物，給室內或者其他空間提供暖氣；而到了夏季，熱泵機組恰好做一個(gè)相反的循環(huán)過(guò)程從而實(shí)現空調制冷。

 

  地能熱泵系統包括換熱系統、主機系統、末端系統三部分。

 

  換熱系統在高寒地區要因地制宜綜合利用地熱溫泉、地下水和地下?lián)Q熱管路系統。

 

  地源熱泵系統不僅可以利用地表下層的相對穩定溫度，全年可以高效地運行取暖和制冷系統，運行成本極低；就地源熱泵系統本身來(lái)說(shuō)，它采用的設備少又非常耐用，其相關(guān)部件都是深埋在地下和水中，受天氣或人為條件破壞的因素大大減少，穩定性高。地源熱泵的制冷劑封閉在主機內不會(huì )向外界泄露，不會(huì )對臭氧層造成破壞，有利于保護環(huán)境。地源熱泵能夠因地制宜，利用形式多種多樣，不拘泥于固定的模式。

 

  地能熱泵技術(shù)對克服高寒地區霜凍或者下雪天氣具有深遠的現實(shí)意義。

 

  2.2 地能熱泵技術(shù)在高寒地區道路橋梁中的運用

        2.2.1 高寒地區特點(diǎn)

 

  高寒地區一般都是氣候寒冷，霜雪天氣時(shí)間比較長(cháng)，道路橋梁易受到霜雪的影響產(chǎn)生凍結，導致交通阻塞中斷。氣候較好的地方無(wú)霜期加起來(lái)也不超過(guò)一個(gè)月。這些地方的道路可能長(cháng)時(shí)間處于凍結狀態(tài)，而且低溫早霜危害出現的次數相對比較頻繁，一般3～4年出現一次。另外，在高寒地區存在著(zhù)各種小氣候，有時(shí)雖然在同一座山，山上和山下的氣候就不一樣，而就同一個(gè)水平面范圍內，南邊和北邊的氣溫也會(huì )不同。

 

  高寒地區道路橋梁和機場(chǎng)碼頭冰雪凍結造成的交通事故和交通中斷，對國民經(jīng)濟和國防建設以及人民生命財產(chǎn)危害極大。而開(kāi)發(fā)利用我國大部分高寒地區蘊藏的中高溫地熱資源和隨處都有的淺層地熱資源，完全可以解除這一憂(yōu)患。

 

  我國高溫地熱能資源主要分布在藏滇地熱帶及臺灣地熱帶。藏滇地熱帶及臺灣地熱帶是環(huán)球地熱帶——地中?！柴R拉雅地熱帶及西太平洋環(huán)島地熱帶的組成部分。藏滇地熱帶位于印度、歐亞兩大板塊的邊界。在該帶內，目前已發(fā)現水熱活動(dòng)區600余處。這里的水熱活動(dòng)十分強烈，有大量熱泉、沸泉和噴氣孔等，水溫多接近或超過(guò)當地沸點(diǎn)。臺灣地熱帶位于太平洋板塊與歐亞板塊的邊界。島上地殼運動(dòng)活躍，第四紀火山強烈，地震頻繁，水熱活動(dòng)區有100余處，100℃以上的有近10處。

 

  我國低溫地熱能資源廣泛分布于板塊內部中國大陸地殼隆起區和地殼沉降區。在板內地殼隆起區，發(fā)育有不同地質(zhì)時(shí)期形成的斷裂帶，已經(jīng)多期活動(dòng)，它們多數可成為地下水運動(dòng)上升的良好通道。大氣降水滲入地殼深部經(jīng)深循環(huán)在正常地溫梯度下加熱，常常在相對低洼的地方（山前或山間盆地、濱海盆地，多在河谷底部），沿活動(dòng)性斷裂涌出地表形成溫泉。根據地殼隆起區溫泉的密集程度，目前可初步劃分兩個(gè)低溫地熱帶，即東南沿海地熱帶及滇川地熱帶。

 

  東南沿海地熱帶位于太平洋板塊與歐亞板塊交接帶以西中國大陸內側，包括江西東部、湖南南部、福建、廣東及海南等地。這里有現代火山作用，但自中生代以來(lái)，地殼運動(dòng)活躍，深斷裂發(fā)育。東南沿海地熱帶是我國低溫溫泉最為密集的地帶，集中分布的溫泉就有500余處。溫泉水溫大多介于40℃～80℃之間，也有少量80℃以上的。

 

  滇川地熱帶位于印度與歐亞兩大板塊交接帶以東，縱貫滇川南北，沿南北構造帶展布。這里，新構造運動(dòng)強烈，地震頻繁。分布在該帶的溫泉共有100余處，南段較密集，溫度多在60℃以上，個(gè)別達90℃，北段較稀疏，水溫多在60℃以下。

 

  其他地區，如山東半島、遼東半島、河北山地、太行山、秦嶺、天山北麓、四川盆地的東南部、柴達木盆地東部等，溫泉也較集中，水溫大多在60℃以下，少數溫泉區水溫可達80℃～90℃。

 

  高寒地區往往也是地熱能資源最豐富的地區。這些地熱資源和淺層地熱資源應用熱泵技術(shù)綜合利用，是解決高寒地區道路、橋梁、機場(chǎng)、碼頭冬季融冰化雪的正確途徑。

 

  2.2.2 寒冷地區道路橋梁恒溫裝置系統設計

 

  （1）熱負荷的確定

 

  寒冷季節道路橋梁和機場(chǎng)碼頭熱負荷以保證道路路面和橋面暢通，24小時(shí)不結冰、不積雪為目標。熱負荷要根據分時(shí)測定的室外土壤溫度、路（橋）面溫度、空氣溫度、濕度、風(fēng)速、交通量進(jìn)行計算分配，保持路面溫度隨時(shí)處于融雪溫度以上。

 

  （2）換熱系統設計

 

  道路橋梁融冰化雪所需的熱量巨大。在有地熱溫泉資源的地方，應當首選地熱溫泉資源，其次利用地下水資源，最后才考慮用地埋管換熱系統，同時(shí)與太陽(yáng)能集熱系統和大型冷回收冷凍系統集成設計。在有熱電廠(chǎng)或其他廢熱資源的地方，充分利用熱泵進(jìn)行余熱回收來(lái)采集熱源。一般情況下，盡量使用多種能源互補綜合利用，以獲得最好的經(jīng)濟效益。

 

  熱源量要在廣泛調查勘探道路沿線(xiàn)各種熱能資源的分布和可采量的基礎上，進(jìn)行全面技術(shù)、經(jīng)濟論證。

 

  （3）末端放熱系統設計

 

  末端放熱系統用來(lái)維持道路路面和橋梁橋面的融雪環(huán)境溫度。末端放熱系統布置在道路路面或橋面的結構層下面和道路兩側，也可以設置送風(fēng)系統在道路的兩側直接吹刷路面。在越嶺線(xiàn)的埡口路段，應同時(shí)配置這兩種放熱系統，確保積蓄熱能及時(shí)融雪化冰。末端放熱系統按不同的放熱方式釋放熱負荷。

 

  為了既保障融冰化雪又最大限度地節約能源，換熱系統與放熱系統要通過(guò)主機進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)控制。

 

  由于道路線(xiàn)長(cháng)面廣，不同的氣候和地質(zhì)條件使道路的恒溫裝置受到多方面因素的影響，需要先進(jìn)行典型路段的試驗。

 

  3 結束語(yǔ)

 

  高寒地區道路、橋梁、碼頭、機場(chǎng)的融雪化冰，是長(cháng)期困擾這些地區交通發(fā)展的老大難問(wèn)題，嚴重阻礙了這些地區的國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設。而高寒地區往往也是地熱能資源最豐富的地區。這些地熱資源和淺層地熱資源以及其他多種可再生能源通過(guò)熱泵技術(shù)循環(huán)利用，完全可以解決高寒地區道路、橋梁、機場(chǎng)、碼頭的融冰化雪，保持交通暢通，為這些地區的人民帶來(lái)福音。