地熱水在地熱供暖中的應用

季志恒,劉同僧,何 平

(1.河北省保定水文水資源勘測局,河北 保定 071000;2.河北省廊坊水文水資源勘測局,河北廊坊 071000)

1 地熱水在我國的開發(fā)現狀

地熱通常是陸地地表5 000 m深度內的熱能。據推算,地核內部的溫度達 2 000℃ ～5 000℃,而地幔的溫度達1 000℃～2 000℃。因此,在地球的最外層——地殼中蘊藏著巨大的熱水庫。地熱水并不是地殼內天然存在的,而是地面上的雨水沿巖石、土壤的縫隙深入地殼深處,這些水被周圍的熱巖所加熱。如果地殼深處有較大的空隙層,就可能形成具有開采價值地熱水層[1]。而目前開采和利用最多的地熱能即是地熱水。

地熱水按溫度可分為高溫、中溫和低溫三類。溫度大于150℃的地熱以蒸汽形式存在,叫高溫地熱;90℃ ～150℃的地熱以水和蒸汽的混合物等形式存在,叫中溫地熱;溫度大于 25℃、小于 90℃的地熱以溫水 (25℃ ～40℃)、溫熱水(40℃ ～60℃)、熱水(60℃ ～90℃)等形式存在,叫低溫 地熱。高溫地熱一般存在于地質活動性強的全球板塊的邊界,即火山、地震、巖漿侵入多發(fā)地區(qū),著名的冰島地熱田、新西蘭地熱田、日本地熱田以及我國的西藏羊八井地熱田、云南騰沖地熱田、臺灣大屯地熱田都屬于高溫地熱田。中低溫地熱田廣泛分布在板塊的內部,我國華北、京津地區(qū)的地熱田多屬于中低溫地熱田,我國地熱資源總量 98%以上是低溫地熱資源[2]。目前,我國眾多的低溫地熱資源主要是直接利用于洗浴、采暖、種植、養(yǎng)殖、醫(yī)療、娛樂等方面。雖然全國直接利用總量已達到 2 410MW,居世界各國前列,但利用水平和效率比較低,對于 25℃～50℃溫度段的能量利用率很差。

為實現可持續(xù)發(fā)展目標,國家制定了“十五能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”:要求調整能源結構,減少燃煤造成的污染,大力發(fā)展新能源可再生能源的利用技術,其中提到要開發(fā)地熱熱泵技術,以充分利用地熱資源。[3]

2 地熱水的供暖方案

高溫水源熱泵是把 30℃ ～60℃的低溫地熱水加熱到70℃～90℃,適用于各種供暖方式,解決了高寒地區(qū)的地熱熱泵供暖,用高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐仍可利用暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)的采暖改造問題。被利用后的地熱尾水排水溫度最低可低于 10℃,符合環(huán)保的要求。制熱工況 C O P可達到 3.5以上,也就是說,花費一份代價,可以得到 3.5倍以上的熱量。

用高溫水源熱泵機組對低溫地熱水進行余熱回收,可加大地熱井的供暖能力,使一口地熱井起到兩口地熱井的作用,能產生出良好的經濟效益,節(jié)能及環(huán)境效益十分明顯。

應用水源熱泵機組,可輸出 70℃以上的二次熱水,能在末端為暖氣片的用戶進行供暖。被利用后的地熱尾水排水溫度可低于 18℃,將低溫地熱水的能量充分利用,同時熱泵機組還可免費制取生活熱水及為會所提供夏季制冷。真正實現一機多用、經濟環(huán)保、高效節(jié)能。

3 地熱水供暖優(yōu)點

3.1 余熱利用、經濟節(jié)能

采用高溫水源熱泵機組可直接回收利用低溫地熱水、地熱尾水、含油污水及其它各種溫度在 30℃～60℃之間的中低品位余熱資源,從根本上解決了此類余熱資源不能被熱泵機組直接回收利用的現狀。機組制熱工況出水溫度可根據用戶需求調節(jié),最高出水溫度可達 90℃,可滿足不同用戶的空調、供暖、制備生活熱水的需求,低溫地熱水 +高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐進行冬季供暖無須改造供暖末端及現有供暖管網,從而使現有資源得到了最合理的利用。

3.2 綠色環(huán)保、效益顯著

采用地熱水 +高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐可取得很好的環(huán)保效應和經濟效應,避免了燃煤鍋爐的廢氣、廢渣對周圍環(huán)境的污染,省掉了燃煤的運輸費用、貯煤場地費用、除塵費用、灰渣的運輸處理費用等。同時解決了低溫地熱水或地熱尾水排放后對環(huán)境造成的熱污染的問題,經此方案后,尾水的溫度只有 18℃左右遠低于國家規(guī)定的小于 30℃的標準。

3.3 一機多用,節(jié)約資金

在該項目中,利用高溫水源熱泵提供冬季供暖的同時,還可提供夏季制冷,從而避免了中央空調系統(tǒng)的重復投資。

3.4 性能穩(wěn)定、安全可靠

水源熱泵運行自動化程度高,運行人員少,無壓力容器存在,安全性好。地下水溫度穩(wěn)定,水源熱泵供熱為連續(xù)供熱,溫度恒定,人體的舒適感好。

4 地熱利用中存在的問題及對策

地熱作為一種清潔能源用于采暖,在我國北方城市發(fā)展迅速,目前天津市地熱供暖面積就達 1 000多萬 m2,位居全國前列。北京市地熱供暖面積也達 120萬平方米。

目前地熱供暖主要問題一是尾水排放水溫比較高,一般在 40℃以上,造成了資源的浪費。地熱水供暖后尾水排放水溫比較高,造成熱污染,不符合環(huán)保的要求。適當降低供暖排水溫度可提高地熱能的利用率。降低地熱水供暖的尾水排放溫度,必須要考慮供暖系統(tǒng)的初投資,因為降低尾水排放溫度就要增加散熱器的面積。據有關專家分析,散熱器的進出口溫差每增加 5℃,散熱器面積需增加 12%,因此,地熱供暖尾水排放溫度的降低與散熱器面積的增加存在一個優(yōu)化問題。為充分利用地熱水的熱能,可對供暖排水再次利用,實現地熱資源的梯級綜合利用。在地熱能的開發(fā)利用中熱泵技術是目前世界上的一個熱點,近 5年來,全世界地熱熱泵容量以平均 30%的年增長量在發(fā)展。對低溫地熱或地熱供暖尾水可利用熱泵技術提升其熱能品位,使地熱資源得到充分利用。

地熱利用過程中的另一個問題就是結垢和腐蝕。結垢物質主要有氧化鐵、硫酸鈣、碳酸鈣和硫酸鹽等。水垢的傳熱性能差,管道結垢大大地降低換熱器的傳熱性能,使得地熱能利用率下降;另外,結垢使水的流動阻力增加,增大了流體輸送的能耗。在地熱的直接利用中,防腐是一項重要問題,腐蝕主要由氧、氯等元素引起。為保證供暖設備的可靠性和使用壽命,可采取適當的措施減少或防止腐蝕:利用非金屬材料解決腐蝕問題;從開采到利用采用密閉系統(tǒng),防止空氣(氧)進人系統(tǒng)中;對含 C l-的地熱水可采用前置換熱器,使用間接供暖方式,這樣,前置換熱器采用耐腐蝕材料而供暖管道和設備可采用普通碳鋼。

在地熱資源利用過程中,回灌技術是另一個值得重視的問題。如果只開采利用而不回灌會帶來一系列問題:①引起地面下沉,這在我國地熱開采利用較早的地區(qū)已表現出來;②造成環(huán)境污染,地熱水的排放一般在 40℃～50℃,不回灌會造成熱污染,而且地熱水中的砷、汞、氟等有害元素也會污染環(huán)境。③大量開采地熱資源而不采用回灌技術會影響地下結構的穩(wěn)定性。

[1]陸亞俊 ,馬最良,鄒平華。暖通空調 中國建筑工業(yè)出版社P 344頁.

[2]賀平,孫剛。供熱工程 中國建筑工業(yè)出版社 P 295頁 .

[3]謝棟輝,李文偉。北京奧運公園應用地熱供暖的可行性北京地熱國際研討會論文集。北京:2002年 10月 P 125頁 .