地热水在地热供暖中的应用

季志恒,刘同僧,何 平

(1.河北省保定水文水资源勘测局,河北 保定 071000;2.河北省廊坊水文水资源勘测局,河北廊坊 071000)

1 地热水在我国的开发现状

地热通常是陆地地表5 000 m深度内的热能。据推算,地核内部的温度达 2 000℃ ～5 000℃,而地幔的温度达1 000℃～2 000℃。因此,在地球的最外层——地壳中蕴藏着巨大的热水库。地热水并不是地壳内天然存在的,而是地面上的雨水沿岩石、土壤的缝隙深入地壳深处,这些水被周围的热岩所加热。如果地壳深处有较大的空隙层,就可能形成具有开采价值地热水层[1]。而目前开采和利用最多的地热能即是地热水。

地热水按温度可分为高温、中温和低温三类。温度大于150℃的地热以蒸汽形式存在,叫高温地热;90℃ ～150℃的地热以水和蒸汽的混合物等形式存在,叫中温地热;温度大于 25℃、小于 90℃的地热以温水 (25℃ ～40℃)、温热水(40℃ ～60℃)、热水(60℃ ～90℃)等形式存在,叫低温 地热。高温地热一般存在于地质活动性强的全球板块的边界,即火山、地震、岩浆侵入多发地区,著名的冰岛地热田、新西兰地热田、日本地热田以及我国的西藏羊八井地热田、云南腾冲地热田、台湾大屯地热田都属于高温地热田。中低温地热田广泛分布在板块的内部,我国华北、京津地区的地热田多属于中低温地热田,我国地热资源总量 98%以上是低温地热资源[2]。目前,我国众多的低温地热资源主要是直接利用于洗浴、采暖、种植、养殖、医疗、娱乐等方面。虽然全国直接利用总量已达到 2 410MW,居世界各国前列,但利用水平和效率比较低,对于 25℃～50℃温度段的能量利用率很差。

为实现可持续发展目标,国家制定了“十五能源发展战略规划”:要求调整能源结构,减少燃煤造成的污染,大力发展新能源可再生能源的利用技术,其中提到要开发地热热泵技术,以充分利用地热资源。[3]

2 地热水的供暖方案

高温水源热泵是把 30℃ ～60℃的低温地热水加热到70℃～90℃,适用于各种供暖方式,解决了高寒地区的地热热泵供暖,用高温水源热泵取代燃煤锅炉仍可利用暖气片热水式热力循环系统的采暖改造问题。被利用后的地热尾水排水温度最低可低于 10℃,符合环保的要求。制热工况 C O P可达到 3.5以上,也就是说,花费一份代价,可以得到 3.5倍以上的热量。

用高温水源热泵机组对低温地热水进行余热回收,可加大地热井的供暖能力,使一口地热井起到两口地热井的作用,能产生出良好的经济效益,节能及环境效益十分明显。

应用水源热泵机组,可输出 70℃以上的二次热水,能在末端为暖气片的用户进行供暖。被利用后的地热尾水排水温度可低于 18℃,将低温地热水的能量充分利用,同时热泵机组还可免费制取生活热水及为会所提供夏季制冷。真正实现一机多用、经济环保、高效节能。

3 地热水供暖优点

3.1 余热利用、经济节能

采用高温水源热泵机组可直接回收利用低温地热水、地热尾水、含油污水及其它各种温度在 30℃～60℃之间的中低品位余热资源,从根本上解决了此类余热资源不能被热泵机组直接回收利用的现状。机组制热工况出水温度可根据用户需求调节,最高出水温度可达 90℃,可满足不同用户的空调、供暖、制备生活热水的需求,低温地热水 +高温水源热泵取代燃煤锅炉进行冬季供暖无须改造供暖末端及现有供暖管网,从而使现有资源得到了最合理的利用。

3.2 绿色环保、效益显著

采用地热水 +高温水源热泵取代燃煤锅炉可取得很好的环保效应和经济效应,避免了燃煤锅炉的废气、废渣对周围环境的污染,省掉了燃煤的运输费用、贮煤场地费用、除尘费用、灰渣的运输处理费用等。同时解决了低温地热水或地热尾水排放后对环境造成的热污染的问题,经此方案后,尾水的温度只有 18℃左右远低于国家规定的小于 30℃的标准。

3.3 一机多用,节约资金

在该项目中,利用高温水源热泵提供冬季供暖的同时,还可提供夏季制冷,从而避免了中央空调系统的重复投资。

3.4 性能稳定、安全可靠

水源热泵运行自动化程度高,运行人员少,无压力容器存在,安全性好。地下水温度稳定,水源热泵供热为连续供热,温度恒定,人体的舒适感好。

4 地热利用中存在的问题及对策

地热作为一种清洁能源用于采暖,在我国北方城市发展迅速,目前天津市地热供暖面积就达 1 000多万 m2,位居全国前列。北京市地热供暖面积也达 120万平方米。

目前地热供暖主要问题一是尾水排放水温比较高,一般在 40℃以上,造成了资源的浪费。地热水供暖后尾水排放水温比较高,造成热污染,不符合环保的要求。适当降低供暖排水温度可提高地热能的利用率。降低地热水供暖的尾水排放温度,必须要考虑供暖系统的初投资,因为降低尾水排放温度就要增加散热器的面积。据有关专家分析,散热器的进出口温差每增加 5℃,散热器面积需增加 12%,因此,地热供暖尾水排放温度的降低与散热器面积的增加存在一个优化问题。为充分利用地热水的热能,可对供暖排水再次利用,实现地热资源的梯级综合利用。在地热能的开发利用中热泵技术是目前世界上的一个热点,近 5年来,全世界地热热泵容量以平均 30%的年增长量在发展。对低温地热或地热供暖尾水可利用热泵技术提升其热能品位,使地热资源得到充分利用。

地热利用过程中的另一个问题就是结垢和腐蚀。结垢物质主要有氧化铁、硫酸钙、碳酸钙和硫酸盐等。水垢的传热性能差,管道结垢大大地降低换热器的传热性能,使得地热能利用率下降;另外,结垢使水的流动阻力增加,增大了流体输送的能耗。在地热的直接利用中,防腐是一项重要问题,腐蚀主要由氧、氯等元素引起。为保证供暖设备的可靠性和使用寿命,可采取适当的措施减少或防止腐蚀:利用非金属材料解决腐蚀问题;从开采到利用采用密闭系统,防止空气(氧)进人系统中;对含 C l-的地热水可采用前置换热器,使用间接供暖方式,这样,前置换热器采用耐腐蚀材料而供暖管道和设备可采用普通碳钢。

在地热资源利用过程中,回灌技术是另一个值得重视的问题。如果只开采利用而不回灌会带来一系列问题:①引起地面下沉,这在我国地热开采利用较早的地区已表现出来;②造成环境污染,地热水的排放一般在 40℃～50℃,不回灌会造成热污染,而且地热水中的砷、汞、氟等有害元素也会污染环境。③大量开采地热资源而不采用回灌技术会影响地下结构的稳定性。

[1]陆亚俊 ,马最良,邹平华。暖通空调 中国建筑工业出版社P 344页.

[2]贺平,孙刚。供热工程 中国建筑工业出版社 P 295页 .

[3]谢栋辉,李文伟。北京奥运公园应用地热供暖的可行性北京地热国际研讨会论文集。北京:2002年 10月 P 125页 .