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生的熱能及地球淺層由接收太陽能而產生的熱能。前者以地下熱水和水蒸氣的形式出現,溫度較高,主要用于發電、供暖等生產生活目的,其技術已基本成熟,歐美國家有很多用于發電,我國則多用來直接供熱,這種地熱能品位較高,但受地理環境及開采技術與成本的影響因而受限較大;后者由太陽能轉換而來,蘊藏在地球表面淺層的土壤中,溫度較低,但開采成本和技術相對也低,且不受地理環境的影響,特別適合于建筑物的供暖與制冷,因而受到了暖通空調及 節能行業越來越多的關注。

 

  地球表面是一座巨大的天然太陽能集熱器和儲熱庫。到達地球表面的太陽能相當于全世界能源消耗量的2000倍,只是由于太陽能能流密度低,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溫度都在15℃左右,如果把這樣的溫度搬運到地面上來稍做處理, 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。在冬天它以大地為低溫位熱源,從大地中提取熱量,經過地面上熱泵的轉換,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,同時還減少了燃燒產物的排放和制 冷劑的用量,對環保十分有利。

 

  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,只是由于長期以來石化燃料價格低廉,供應充足,它才沒有得到重視,導致其進展緩慢。到20世紀80年代以后,由于全球性能源緊張和環境污染日趨嚴峻,這項技術才逐漸受到青睞,目前已趨于成熟,正在歐洲、北美和日本得到推廣應用。在我國則還處于實驗研究階段,目前國內幾家科研院所和高校正在開展這方面的研究,要進入商業化的實際工程應用尚需進行長期不懈的努力。

 

  2淺層地熱能利用系統及其特點

 

  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、地熱換熱器及用戶端組成,而其中地熱換熱器是關鍵。

 

  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、蒸發器、冷凝器、節流裝置組成。通過消耗一部分高品質能源即電能,吸收低溫物體的熱能排放給高溫物體,實現供熱和制冷的目的,其熱泵示意圖如圖1所示。只不過,通常的熱泵以大氣環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,不僅消耗大量高質能 源,而且惡化了周圍的環境溫度,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,供給熱泵的蒸發器,經壓縮機提高溫度后,傳到熱泵的冷凝器,向房屋供熱;在夏天,地熱能熱泵通過其蒸發器從房屋內吸收熱量,經壓縮機、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,單個住戶只需一套熱泵;也可以很大,商業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,房屋結構就不會阻礙熱泵與地下熱源的聯系。  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,不需要專門的地下換熱器,可以直接抽取地下水,經過去除雜質的處理后,根據供暖或制冷的目的,送給熱泵的蒸發器或冷凝器,完成熱量交換后回灌到地下或排放到別的地方。在沒有水源的地方,熱泵要與土壤交換熱量,就需要設置專門的地下換熱器。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,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推廣的難點。  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,用泵將換熱介質送入這些地下管道與地下土壤進行熱量交換,然后回到地面與熱泵進行換熱,換熱介質通常為水的鹽溶液,封閉在管路系統,在地面 上的熱泵與地下換熱器之間循環流動,完成換熱任務。

 

  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,工程量大而開挖技術要求不高,初投資低于豎直埋管式;缺點是占地面積大,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;缺點是技術要求較高,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和氣象條件并隨地理位置而變。孔深一般為100～300m,孔間距為4～10m,鉆孔總長度由建筑面積的大小而定,一般 是每平米建筑面積鉆孔長度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U型封閉管路。然后將鉆孔與管道之間的空間填埋夯實,填埋材料可以采用當地土壤,也可以選用與當地土壤性質接近的混凝土。各鉆孔內,管道之間的連接方式有串 聯和并聯兩種形式。

 

  串聯形式就是換熱介質依次流過每個鉆孔內的U型換熱管路之后再回到地面與熱泵的制冷劑進行熱量交換。并聯形式就是換熱介質同時分配到地下各個鉆孔內的換熱管路,與土壤交換熱量后,同時流回地面進入地面上的熱泵與制冷劑交換熱量,這兩種方式各有利弊。

 

  串聯系統的優點是:單一流程和管徑;管道的線性長度有較高的熱性能;系統的空氣和廢渣易于排除。缺點是: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;長度壓 降特性限制了系統的能力。

 

  并聯系統的優點是: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。缺點是:一定要保證系統的空氣和廢渣的排除;在保證等長度環路下,每個并聯線路之間流量要 保持平衡。

 

  2.3經濟性及環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于熱泵系統的大小、運行時間的長短和當地的能源價格,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,僅需驅動熱泵運行的電力供應,而不需要別的熱能,不需要鍋爐來燃燒燃料供應熱能。同時,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,對環境的破壞和污染就相應減少。

 

  2.4面臨的問題

 

  目前我國淺層地熱能利用面臨的問題首先是這項技術在我國還沒有達到成熟,缺少這方面的設計、安裝、維修技術人員,相關的生產廠家也太少,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;其次,我國政府需要加大對這一問題研究的支持力度,在開發與商業化過程中,提供減免稅收、低息貸款等優惠政策。

 

  淺層地熱能利用涉及土壤學、傳熱傳質學、建筑材料學、鉆井技術、熱泵技術等多個學科,影響因素眾多。其中的關鍵技術是地下換熱器的優化設計、土壤熱性能研究、回填材料的研發和熱泵系統的合理配置。每一個方面都需要科技工作者進行長期而艱苦細致的工作。

 

  當前我國的能源利用效率仍明顯低于世界平均水平,隨著我國國民經濟的繼續快速發展,能源的供需矛盾將會日益尖銳。現在,我國已超過日本成為繼美國之后的世界第二大石油進口國,而我國的GDP總量只及日本的1/6,這說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基礎又相對薄弱,隨著人民生活水平的不斷提高,這方面的市場潛力也十分龐大,選擇何種技術,會對我國的能源戰略和環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保兩大特點,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,隨著國家可持續發展戰略的實施,它將在我國得到很大發展。