1前言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由接收太阳能而产生的热能。前者以地下热水和水蒸气的形式出现,温度较高,主要用于发电、供暖等生产生活目的,其技术已基本成熟,欧美国家有很多用于发电,我国则多用来直接供热,这种地热能品位较高,但受地理环境及开采技术与成本的影响因而受限较大;后者由太阳能转换而来,蕴藏在地球表面浅层的土壤中,温度较低,但开采成本和技术相对也低,且不受地理环境的影响,特别适合于建筑物的供暖与制冷,因而受到了暖通空调及节能行业越来越多的关注。
地球表面是一座巨大的天然太阳能集热器和储热库。到达地球表面的太阳能相当于全世界能源消耗量的2000倍,只是由于太阳能能流密度低,地球表面的温度变化大,使得对这部分热能的直接利用困难较多。但实际上,温度受天气变化影响较大的部分主要集中在地表面至地下10m之间的区域内,从10m深度再往下,大地温度就稳定在当地全年的平均气温上了。我国大部分地区这个温度都在15℃左右,如果把这样的温度搬运到地面上来稍做处理,就可成为很好的空调系统,这就是目前浅层地热能利用的主要方式。
浅层地热能利用通常需借助于热泵,它是一项新兴绿色节能技术。在冬天它以大地为低温位热源,从大地中提取热量,经过地面上热泵的转换,提高温位向房屋供暖;在夏天则以大地为高温位热源,将房屋内的热量输送到大地土壤中。由于地下温度十分稳定且很接近房屋居住所需的温度,因此,相对于以大气环境为热源的热泵和燃煤、燃油的供暖供冷系统,以大地为提取热量或排放热量的热源的热泵效率大大提高,同时还减少了燃烧产物的排放和制冷剂的用量,对环保十分有利。
从大地土壤中提取热量用于房屋的供暖早在20世纪30年代就已提出,只是由于长期以来石化燃料价格低廉,供应充足,它才没有得到重视,导致其进展缓慢。到20世纪80年代以后,由于全球性能源紧张和环境污染日趋严峻,这项技术才逐渐受到青睐,目前已趋于成熟,正在欧洲、北美和日本得到推广应用。在我国则还处于实验研究阶段,目前国内几家科研院所和高校正在开展这方面的研究,要进入商业化的实际工程应用尚需进行长期不懈的努力。
2浅层地热能利用系统及其特点浅层地热能属于低品位热能,直接使用达不到一般要求的温度,通常需设置一套热泵,组成地热能热泵利用系统,将地下热能的温度进行一定的提高或降低。因此,地热能利用系统主要由热泵、地热换热器及用户端组成,而其中地热换热器是关键。
2.1地热能热泵地热能热泵的工作原理与通常的热泵相同,都是由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置组成。通过消耗一部分高品质能源即电能,吸收低温物体的热能排放给高温物体,实现供热和制冷的目的,其热泵示意图如图1所示。只不过,通常的热泵以大气环境为其吸热或放热的热源,大气温度的剧烈变化导致常规的热泵效率低下,不仅消耗大量高质能源,而且恶化了周围的环境温度,使得夏天更热,冬天更冷。
与常规热泵不同,浅层地热能热泵以近地表层土壤为其吸收热量或排放热量的热源。在冬天,地热能热泵从土壤中吸取热量,供给热泵的蒸发器,经压缩机提高温度后,传到热泵的冷凝器,向房屋供热;在夏天,地热能热泵通过其蒸发器从房屋内吸收热量,经压缩机、冷凝器而排放到土壤中。因为土壤温度全年基本维持不变,热泵系统的操作可以设计得十分精确,使得工作稳定而高效。
地热能热泵可以很小,单个住户只需一套热泵;也可以很大,商业上可采用多套或多级热泵,唯一的要求是需要足够的土地,使热交换能够充分进行,最节约的方式是在建筑施工的起始阶段就安装地热能热泵,这样,房屋结构就不会阻碍热泵与地下热源的联系。 地热能热泵以大地为吸收或排放热量的热源,在有地下水源的地方,不需要专门的地下换热器,可以直接抽取地下水,经过去除杂质的处理后,根据供暖或制冷的目的,送给热泵的蒸发器或冷凝器,完成热量交换后回灌到地下或排放到别的地方。在没有水源的地方,热泵要与土壤交换热量,就需要设置专门的地下换热器。所以,在结构上它与常规热泵最大的不同就是需要一套地热换热器。
2.2地热换热器
地热换热器的性能与当地土壤的性能密切相关,它设计得合理与否直接影响地热利用效率和投资成本,是地热泵成功应用的前提,也是当前浅层地热利用技术推广的难点。 浅层地热能热泵所用地热换热器就是在地面下埋设的封闭管道回路,这些管路通常由高密度聚氯乙烯或聚丁烯塑料管组成,用泵将换热介质送入这些地下管道与地下土壤进行热量交换,然后回到地面与热泵进行换热,换热介质通常为水的盐溶液,封闭在管路系统,在地面上的热泵与地下换热器之间循环流动,完成换热任务。
地下管道埋设方式有水平式和垂直式两种形式。水平埋管式通常浅层埋设,工程量大而开挖技术要求不高,初投资低于竖直埋管式;缺点是占地面积大,温度稳定性也较差,现在已很少采用。竖直埋管式工程量小,占地面积少,恒温效果好,维护费用少,适合于用地紧张的城市;缺点是技术要求较高,初投资较大。 竖直埋管式地热换热器目前应用较多,发展较快。它是在地面下竖直钻孔,在孔内埋入换热管,换热管的形式又有两种:U型管式(见图2)和套管式,目前以U型管应用较多。地下钻孔的孔径一般为100～150mm,孔间距和深度取决于土壤的热性质和气象条件并随地理位置而变。孔深一般为100～300m,孔间距为4～10m,钻孔总长度由建筑面积的大小而定,一般是每平米建筑面积钻孔长度1m左右。
每一竖直钻孔内可放入一组或两组U型塑料管,管径25～35mm,塑料管下端用U型接头接好,形成一个U型封闭管路。然后将钻孔与管道之间的空间填埋夯实,填埋材料可以采用当地土壤,也可以选用与当地土壤性质接近的混凝土。各钻孔内,管道之间的连接方式有串联和并联两种形式。 串联形式就是换热介质依次流过每个钻孔内的U型换热管路之后再回到地面与热泵的制冷剂进行热量交换。并联形式就是换热介质同时分配到地下各个钻孔内的换热管路,与土壤交换热量后,同时流回地面进入地面上的热泵与制冷剂交换热量,这两种方式各有利弊。 串联系统的优点是:单一流程和管径;管道的线性长度有较高的热性能;系统的空气和废渣易于排除。缺点是:需要较大的流体体积和较多的抗冻剂;管道费用和安装费用较高;长度压降特性限制了系统的能力。 并联系统的优点是:管径较小因而管道费用较少;抗冻剂用量较少;安装费用较低。缺点是:一定要保证系统的空气和废渣的排除;在保证等长度环路下,每个并联线路之间流量要保持平衡。
2.3经济性及环保性地热能热泵的能源利用效率比通常的热泵提高45%～70%,通常每消耗1kW的功率可得到4kW的热量或冷量。地热能热泵的投资回收期依赖于热泵系统的大小、运行时间的长短和当地的能源价格,因设置地热能热泵而多投资的费用的回收期通常为5年左右,总的投资回收期为10～14年。 由于以大地土壤中的低品位热能为低温热源,所以,在为住宅供暖制冷时,仅需驱动热泵运行的电力供应,而不需要别的热能,不需要锅炉来燃烧燃料供应热能。同时,由于土壤温度基本恒定,因此热泵的运行效率较通常热泵的效率高,而且无论是CO2的排放还是制冷剂的使用都比常规的热泵为少,对环境的破坏和污染就相应减少。
2.4面临的问题目前我国浅层地热能利用面临的问题首先是这项技术在我国还没有达到成熟,缺少这方面的设计、安装、维修技术人员,相关的生产厂家也太少,大多数人对它还比较陌生,欧美国家的土壤、气象条件与我国差异较大,不能照搬别人的现成技术;其次,我国政府需要加大对这一问题研究的支持力度,在开发与商业化过程中,提供减免税收、低息贷款等优惠政策。 浅层地热能利用涉及土壤学、传热传质学、建筑材料学、钻井技术、热泵技术等多个学科,影响因素众多。其中的关键技术是地下换热器的优化设计、土壤热性能研究、回填材料的研发和热泵系统的合理配置。每一个方面都需要科技工作者进行长期而艰苦细致的工作。
3结束语 当前我国的能源利用效率仍明显低于世界平均水平,随着我国国民经济的继续快速发展,能源的供需矛盾将会日益尖锐。现在,我国已超过日本成为继美国之后的世界第二大石油进口国,而我国的GDP总量只及日本的1/6,这说明很多能量都由低效使用而浪费掉了。而我国的暖通空调工业基础又相对薄弱,随着人民生活水平的不断提高,这方面的市场潜力也十分庞大,选择何种技术,会对我国的能源战略和环境保护造成截然不同的结果。 浅层地热能热泵兼具节能与环保两大特点,我国地域辽阔,近地表低温地热资源丰富,十分适合采用这项新兴技术,随着国家可持续发展战略的实施,它将在我国得到很大发展。
