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淺層地溫(熱)能資源特性及評價方法對地源熱泵工程的意義

   2016-12-29 熱泵資訊8460
核心提示:淺層地溫能是地球表層的一種低位能量,它的特點是單位體積所含能量較低,它來源于太陽能與深部熱能的綜合,它集中體現(xiàn)在大地的恒
       淺層地溫能是地球表層的一種低位能量,它的特點是單位體積所含能量較低,它來源于太陽能與深部熱能的綜合,它集中體現(xiàn)在大地的恒溫帶,及其相鄰的地帶。它的熱物性參數(shù)值(導熱系數(shù)、熱傳導率、比熱容等)也較低,因此具有緩慢的可再生性、傳熱性和蓄熱性。在一般情況下人們很少利用這種能量。由于地源熱泵技術(shù)的應用,淺層地溫能可以發(fā)揮它的潛能,作為一種資源進行開發(fā)利用。但是地源熱泵系統(tǒng)的特點是希望在單位體積內(nèi),短時間提取大量的熱能。這一特性與巖土層的天然熱物性能存在較大的差距,這正是要求地源熱泵系統(tǒng)在設計階段保障冷熱負荷平衡的原因。作為特殊條件下的一種地質(zhì)資源,對它的評價要結(jié)合其利用方法和專業(yè)特點綜合考慮。這些內(nèi)容是目前任何專業(yè)都沒有開展過的,具有較大的嘗試性和探索性。同時,對水文地質(zhì)學領域也是一個可以擴展的空間。

       1.淺層地溫能

       淺層地溫能是指在正常地質(zhì)條件下,地下100m以淺的巖土層所存在的常溫能量。它的來源與特征是地球本身的結(jié)構(gòu)與特征所決定的。

       1.1地球結(jié)構(gòu)

       地球半徑6378 km(赤道)~6357 km(極地),平均6371 km;

       地球表層稱為地殼厚度為0~33 km;

       地球半徑與地殼厚度之比(0.00627),雞蛋半徑與蛋殼之比(0.016),兩者差2.5倍。

       地殼對于地球本身的厚度是極其淺薄的;

       通常地下深1km,其溫度可達40℃;

       上地幔厚度33~670km;2000-3500℃

       下地幔厚度670~2800km

       地外核厚度2800~4600km;3900℃

       地內(nèi)核厚度4600~6371km;溫度4900℃

       1.2地溫與地熱的意義

       從《geological glossary》查到Geothermal means the heat come from entrails of the earth 即來自于地球內(nèi)部的熱量。從《英漢地質(zhì)辭典》中查到,Geothermal是地熱的,地溫的;都是出自于同一詞。從《地球科學大辭典》中查到,中文詞匯中:“地溫”有兩種意義,既表示冷熱程度,又表示過程。某種場合“地溫”是單指地下溫度的,Geotemperature。
       我國對“地熱”的定義是,地下溫度在25℃以上的水流或巖土層稱為地熱流。地溫與地熱在大部分場合可以互用,如地溫梯度也稱地熱梯度等。地源熱泵換熱系統(tǒng)一般不超過300m,在這一深度地下溫度正常環(huán)境中不超過25℃。在地源熱泵技術(shù)應用方面,利用淺部巖土層能量時,應用“地溫能”一詞較為合適。國際地熱協(xié)會定義為地下溫度高于當?shù)睾銣貛?0℃的地下流體或巖土體就稱為地熱體;我國地域遼闊縱跨4個氣候帶,地下溫度變化較大;

       根據(jù)多年的應用實踐和目前地源熱泵工程的需要;我國早期定義的地熱概念應按照國際慣例進行修改。

       1.3 地球的能量

       (1)地球內(nèi)部能量

       地溫(熱)能

       地磁能;

       地電能;

       地應力能;

       重力能;

       (2)地球外部能

       太陽能

       風能

       潮汐能

       宇宙射線能

       水能(地表水、地下水)

       (3)各類物質(zhì)化石能(煤、石油、天然氣、水合物、生(植)物能)

       1.4 淺層地溫能特性

       淺層地溫能是客觀存在的,它是由太陽能對地球表面輻射所保留的能量與深部地心熱核反應向地表擴散的綜合反映。在地下5~8m以上,地下溫度隨季節(jié)的變化,表現(xiàn)為太陽能的補充占主要地位。在8m~50m的巖土層中,地球深部熱核反應釋放的熱量向地表釋放,并逐漸降溫,在這一深度這兩方面的熱量達到了平衡,并體現(xiàn)在地下恒溫特點。它表明既不受地表的季節(jié)性溫度影響,又不受深部地熱源的影響,溫度保持穩(wěn)定,稱為恒溫帶。該地帶溫度一般略高于當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?-2℃,如北京地區(qū)約為15℃,哈爾濱為4℃,廣州22℃等。

       地球淺部的恒溫帶是兩種能量的平衡地帶。巖土層既有吸收和釋放能量的功能,又有蓄能的特點。地溫資源屬地球的自身資源,淺層地溫能資源豐富,分布廣泛,溫度穩(wěn)定,具有一定的可再生性、地域性和儲存性。淺部(小于100m)的地溫資源,由于溫度低(小于25℃)可直接開發(fā)利用能量有限,長期以來受到很大限制。

       目前,利用不同深度的巖土層具有傳熱和蓄能的特性與熱泵技術(shù)結(jié)合,將淺部的低品位地溫能提高到高品位能量的特性,可為建筑物制冷或供暖。由于利用這種方法在經(jīng)濟、環(huán)保等方法具有明顯的優(yōu)勢,節(jié)能減排效果明顯,使得利用淺層地溫能的熱泵技術(shù)得到了廣泛的推廣和利用。
由于在正常淺層地溫環(huán)境下,其巖土、地下水等的體積比熱容較小,且熱傳輸速度較低。這些特征與人們希望在較短的時間內(nèi),提取大量能量,或長期提取能量相比是不相稱的。正因為兩者有如此的差別,就需要地源熱泵系統(tǒng)在設計和運行過程中,盡可能的注意和保持系統(tǒng)中的冷熱負荷平衡,以克服巖土層在短時間內(nèi)不能釋放較多能量的缺陷。

       1.5 與熱泵系統(tǒng)的關系

       在工程運行期間是否能完全達到平衡(或稱作恢復到巖土層的初始溫度),要對地下溫度場的長期(至少一年)監(jiān)測中,分析巖土層的吸收、釋放和蓄能的規(guī)律。在此基礎上,給出地源熱泵系統(tǒng)最佳的運行方案。這是兩大專業(yè)人員在今后較長的時間里所要共同努力的。

       在北歐地區(qū)由于地源熱泵系統(tǒng)的換熱器布置在較寬敞的地帶,且所提取的熱量有限。在系統(tǒng)停止使用的時段里,大面積的淺層地溫能可以補充其消耗的部分,以達到系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。因此,可以認為,淺層地溫能的存在與緩慢釋放的特點。它可以為小型地源熱泵系統(tǒng)提供較充足的能源,對規(guī)模較大的地源熱泵系統(tǒng)工程起到一定的補充和調(diào)節(jié)作用。

       而對有充足的地表水(河、湖、海水、污水等流動水體)作為冷熱交換源,有足夠的低溫能量及時供給熱泵系統(tǒng),對熱泵系統(tǒng)年度內(nèi)的冷熱負荷的平衡要求就不是很高。

       2.淺層地溫能資源的評價

       由于目前地質(zhì)與暖通空調(diào)兩大專業(yè)在地源熱泵技術(shù)的應用方面的結(jié)合尚處在初期階段,地質(zhì)專業(yè)人員對熱泵技術(shù)對地質(zhì)條件的要求還不熟悉。對淺層地溫能資源的評價與計算方法,在《淺層地溫能勘查開發(fā)技術(shù)規(guī)程》征求意見稿中,仍以傳統(tǒng)的地質(zhì)學觀點計算和評價淺層地溫能資源。由于淺層地溫能的特征所決定,單位面積的能量是十分有限的。如何結(jié)合地源熱泵系統(tǒng)對地質(zhì)條件要求,進行區(qū)域淺層地溫能資源計算和評價是地質(zhì)技術(shù)人員面對的新課題。比如,計算面積如何取值,在此計算面積中,有多少面積能為地源熱泵系統(tǒng)提供熱量。在一些建筑工程中,建造房屋的土地面積,實際的建筑設計容積率等都要考慮。

       大地熱流計算法:大地熱流(也稱為大地熱流密度;Density of terrestrial heat flow rate)是指在單位時間內(nèi)通過地球表面單位面積散失的熱流量,一般用它來表示地球內(nèi)部熱能向地球表面散失的情況。熱流密度q為一個向量,q=-k(αθ/αz);k為巖石熱導率;αθ/αz為地溫梯度;其單位為毫瓦/米2(mW/m2)可以說,大地熱流散熱即通過巖石的熱傳導作用是散熱失地球表面散失的主要方式。新生代以來的地帶大地熱流密度在60-80 mW/m2。它是傳統(tǒng)地熱地質(zhì)學中研究不同深度巖土層的熱能的一種基本方法。通過對大地巖土層熱流計算可以了解各地區(qū)不同深度巖土層熱流,從中發(fā)現(xiàn)一些地區(qū)大地熱流值的異常,圈定地下熱田的范圍,分析其形成原因。尤其對深層地熱田的分析與研究是比較成熟的,有效的,具有重要的實際意義。同時,這一方法也是對地下熱能的基本評價方法。根據(jù)淺層地溫能的特點,它的熱量傳遞主要以傳導和對流,或兩者并存的形式。因此,對淺層地溫能的如何評價,要不同于深層地熱田的方法,是目前地熱地質(zhì)學中的新課題。

       然而,在與地源熱泵技術(shù)結(jié)合的過程中,卻發(fā)現(xiàn)所計算的單位面積的熱流量與地源熱泵系統(tǒng)所需供熱量將有千倍,甚至萬倍的差距。在短時間內(nèi)看來,大地熱流量對地源熱泵的熱交換系統(tǒng)似乎意義不大。但由于地源熱泵系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)所接觸的地下面積之大,交換時間為間斷式,這就為淺層地溫能的緩慢補充提供了有利條件。因此,在考慮地源熱泵系統(tǒng)的冷熱負荷平衡的基礎上,還要重視地溫能量的持續(xù)補充。在這方面的技術(shù)也是兩大專業(yè)的技術(shù)人員所共同面臨的新課題,還需要認真協(xié)調(diào)與攻關開展研究。

       熱導率法:不是地下恒溫帶所蘊藏“淺層地熱能”的熱量或能量的單位。

       熱儲法:所涉及的介質(zhì)較多,計算重復,同時所計算出來的“資源量”有限,沒有考慮不同地區(qū)的地源熱泵工程應用特征因素。如在東北地區(qū)、華東和華南地區(qū)所需能量是不同的。同時未能考慮經(jīng)過春、夏、秋三季6-8個月時間能否自然恢復到原始地溫。

       地下水水量折算法:所得的計算結(jié)果只是單體工程的單位時間熱流量,并不是地下的淺層熱
儲存量。

       水熱均衡法:是傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學中的地下水儲藏量的計算方法。沒有考慮水源熱泵系統(tǒng)工程的特點,確定地區(qū)地下水中熱能可能供給的水源熱泵工程的規(guī)模。在實際工程和區(qū)域評估中,計算Dqw或DQ是極其困難的。

       盡管存在諸多問題,但在這新興領域中還是一種非常有意義的探索。它試圖結(jié)合兩大專業(yè)的特點,對其進行開拓性論證是值得肯定地。鑒于以上情況,“評價方法”可以邀請兩大專業(yè)專家,根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)原理及應用實際,逐步完善其中的部分內(nèi)容。

       根據(jù)目前國內(nèi)的地源熱泵技術(shù)推廣應用的情況及存在的問題,參照國外的工作經(jīng)驗我們建議,以主要大中城市和重要經(jīng)濟發(fā)展區(qū)為重點,為提髙地源熱泵系統(tǒng)建設的規(guī)范化與科學化,開展與兩大專業(yè)結(jié)合較緊密的水文地質(zhì)工程地質(zhì)基礎工作:

       (1)在考慮最經(jīng)濟的條件下,開展“地源熱泵技術(shù)適應性區(qū)劃”工作。其中包括,開展巖土層的熱物性參數(shù)調(diào)查、測試與分區(qū);開展地下水的水量、水溫、水質(zhì)硬度的調(diào)查與分區(qū);在此基礎上,建立數(shù)據(jù)庫。

       深入研究地下環(huán)境的傳熱、蓄熱、熱質(zhì)遷移規(guī)律,加強地下環(huán)境(巖土、地下水)與熱傳導耦合模型的研究與應用。

       (2)科學認識、宣傳與建設地源熱泵系統(tǒng),對地上建筑堅持必須強調(diào)保持全年釋熱量與取熱量的基本平衡的設計原則。

       (3)盡早研究與制定統(tǒng)一標準、規(guī)程與規(guī)范。制定基本參數(shù)的測試方法、操作規(guī)程、測試儀器、及設計方法,以指導地源熱泵系統(tǒng)設計。

       (4)制定統(tǒng)一的、科學的、嚴格的、切實可行的監(jiān)測地溫、水溫、水量、水位、水質(zhì)標準、規(guī)范與規(guī)程,加強在建的和已建成的地源熱泵系統(tǒng)的地下環(huán)境監(jiān)測工作。

       (5)暖通空調(diào)與地質(zhì)水文兩個專業(yè)、兩個行業(yè)、兩個部門必須聯(lián)合起來,相互溝通、及時協(xié)調(diào),建議在學術(shù)上建立地源熱泵系統(tǒng)學術(shù)年會制,在工作上建立地源熱泵系統(tǒng)工程建設協(xié)調(diào)工作組。

       我國地源熱泵技術(shù)的應用尚處在初期階段,有必要對一些各專業(yè)共同關注的問題開展廣泛的討論,尤其是地質(zhì)學與暖通空調(diào)兩大專業(yè)所密切關注的問題開展深入探討,將積極地繼續(xù)組織多學科專家推進相關工作,以求得統(tǒng)一認識,使得地熱泵技術(shù)得以健康發(fā)展,為政府決策和企業(yè)發(fā)展提供必要的技術(shù)支撐。 
 
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