（环境工程专业论文）冬季气候突变时地热间接供暖的应变技术研究.pdf

中文摘要 本文在介绍我国目前能源短缺、能源利用率低下、能源结构不合理的现状后， 进一步介绍了地热资源及地热能的应用现状。作者针对我国目前地热应用中遇到 的问题，提出了地热开发过程中应解决的三大问题：一是资源能实现可持续利用， 不破坏环境；二是要采用能抗腐蚀的地热间接供暖系统；三冬季气候突变时的应 变技术措施。而后两个问题是本文研究的重点。 本文在介绍地热供暖系统的常用模式的基础上，重点阐述了间接式地热供暖 系统的热力参数设计、热力调节，以及直接与间接式地热供暖系统的热特性比较， 阐明了间接式地热供暖系统的优越性。作者重点论述了冬季突然大幅降温时的地 热供热调峰设计、系统布置方法和地热应变调峰的原理与措施，地热供暖调峰的 必要性及地热调峰的原理，说明地热与调峰两相配合，扬长避短，既可以增加供 暖面积又可以提高供暖系统的供水温度相应减少了终端散热设备的投资。本文最 后通过天津津南农业科技园地热供暖工程的方案制定、经济分析以及实际运行的 情况分析，总结出地热供暖工程中通过增加应变调峰措施的地热间接供暖系统， 以及热泵对地热尾水的梯级利用，可充分利用地热资源，减少热能浪费，减少对 环境的污染。同时可以确立目前地热供暖工程较为合理的系统模式。 关键词：地热间接式供暖应变调峰供暖负荷 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h es i t u a t i o ni nc h i n aw a st h ee n e r g yn o wi s s h o r t ，t h e u t i l i z a t i o nr a t eo fe n e r g yi sl o w , a n dt h ee n e r g ys t r u c t u r ei su n r e a s o n a b l e a c c o r d i n g t ot h e s es i t u a t i o n s ，t h et h e s i sf u r t h e ri n t r o d u c e dt h e g e o t h e r m a lr e s o u r c ea n dt h e g e o t h e r m ne n e r g ya p p l i c a t i o np r e s e n tc o n d i t i o n s i nv i e wo f q u e s t i o nw h i c hm e e t si n o u rc o u n t r yg e o t h e r m a la p p l i c a t i o n ，a u t h o rp r o p o s e di nt h eg e o t h e r m a ld e v e l o p m e n t p r o c e s ss h o u l ds o l v et h r e em a j o rp r o b l e m s ：t h ef i r s ti st h er e s o u r c e sc a nr e a l i z et h e s u s t a i n a b l eu s e ，d o e sn o td e s t r o yt h ee n v i r o n m e n t ；s e c o n d g e o t h e r m a l i n d i r e c t h e a t i n gs y s t e mw i t ht h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；t h i r d ，t h er e s p o n dt e c h n o l o g ya tw i n t e r c l i m a t e ss u d d e nc h a n g e t h el a t t e rt w oq u e s t i o n sa let h ek e yp o i n t sw h i c ht h i st h e s i s s t u d i e s t h i st h e s i se l a b o r a t e dt h e r m a l e n e r g yp a r a m e t e ro ft h ei n d i r e c tg e o t h e r m a l h e a t i n gs y s t e md e s i g na n dt h et h e r m a le n e r g ya d j u s t a b i l i t yb a s e do ni n t r o d u c t i o no f g e o t h e r m a lh e a t i n gs y s t e mc o m m o nm o d et h et h e s i sa n a l y s e da n dc o m p a r e dt h e d i r e c tw i t ht h ei n d i r e c tg e o t h e r m a lh e a t i n gs y s t e mt h e r m o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c i t h a se x p o u n d e dt h ei n d i r e c t g e o t h e r m a lh e a t i n gs y s t e ms u p e r i o r i t y t h ea u t h o r e l a b o r a t e dg e o t h e r m a lh e a t i n gw i t hp e a k i n gd e s i g n ；t h es y s t e ma r r a n g e m e n tm e t h o d a n dt h eg e o t h e r m a lw i t hr e s p o n dp e a k i n gp r i n c i p l ea n dt h em e a s u r e ；t h eg e o t h e r m a l h e a t i n gw i t hp e a k i n gn e c e s s i t ya n dt h ep r i n c i p l e ，w h e nt e m p e r a t u r ei nw i n t e r s u d d e n l yd e c r e a s e i ta l s oe x p l a i n e dt h eg e o t h e r m a la n dp e a k i n gc o o r d i n a t ew i t he a c h o t h e r , e n h a n c e ds t r o n gp o i n t sa n da v o i dw e a k n e s s e s ，n o to n l ya l l o wt oi n c r e a s et h e h e a t i n ga r e ab u ta l s oe n h a n c et h eh e a t i n gs y s t e mt h ew a t e rs u p p l yt e m p e r a t u r e t h i s m e t h o dc o r r e s p o n dr e d u c e dt h et e r m i n a lr a d i a t i o ne q u i p m e n ti n v e s t m e n t t h i st h e s i s a n a l y z e de c o n o m i ca n da c t u a lm o v e m e n ts i t u a t i o nt h r o u g ht i a n j i nc i t yj i r m a n a g r i c u l t u r es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya l e ag e o t h e r m a lh e a t i n gp r o j e c tp l a nf o r m u l a t i o n ， a n ds u m m a r i z e di nt h eg e o t h e r m a l i n d i r e c th e a t i n gp r o j e c tw i t hi n c r e a s er e s p o n d p e a k i n gm e a s u r e t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h a ts t a v eu t i l i z a t i o no fg e o t h e r m a lt a i l w a t e rb yh e a tp u m p t h i sm e t h o dc a nf u l l yu s e st h eg e o t h e r m a lr e s o u r c e ，r e d u c e dh e a t e n e r g yw a s t ea n dt h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n f i n a l l y , t h ea u t h o re s t a b l i s h e da r e a s o n a b l es y s t e mm o d eo fg e o t h e r m a lh e a t i n gp r o j e c t k e yw o r d s ：g e o t h e r m a l ，i n d i r e c t h e a t i n g ，r e s p o n dp e a k i n g ，h e m i n gl o a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨星：盘堂或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 7 贰溅 、i 签字日期：2 0 0 7 年1 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂角差保留、使用学位论文的棍定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或郡分内容编入有关数据库进行检 索，7 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供歪阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字r 期：2 0 0 7 年1 月4 目签字闩期：2 0 0 7 年 】 月4f i 披 菇 第一章绪论 第一章绪论 我国虽然幅员辽阔，但是能源资源储藏量并不丰富。由于中国人口占世界总 人口的2 0 ，人口基数庞大。虽然我国煤炭资源总量为5 6 万亿吨，其中已探 明储量为1 万亿吨，占世界总储量的1 1 ，原油占世界总储量2 2 ，天然气占 世界总储量1 2 。然而人均煤炭资源为世界平均值的4 2 5 ，人均石油资源为 1 7 1 ，人均天然气资源为1 3 2 ，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一 半。我国一次能源预测总量约为4 万亿吨标煤，但是其中9 0 以上是煤炭资源， 石油、天然气等资源不足1 0 。 改革开放以来，我国经济持续快速发展，经济总量不断扩大，我国也从一个 能源出口国变成一个进口大国。从1 9 8 0 年至1 9 9 0 年我国能源生产总量大体高于 能源消费总量，但是从1 9 9 0 年起能源消费总量逐渐接近和大于生产总量，进口 量大幅上升，2 0 0 3 年我国消费了2 6 亿吨石油，其中包括净进口9 0 0 0 万吨原油 和石油制品。中国已成为仅次于美国的能源消费大国和石油进口大国n 1 。 1 1 国内外能源利用情况 我国能源经济效益明显低于发达国家的水平，2 0 0 1 年世界主要国家单位g d p 能耗比较表明：我国一亿美元g d p 消耗能源约为1 l 万1 2 万吨标煤，能耗强度约 为日本的6 5 8 倍，德国的4 4 9 倍，美国的3 6 5 倍，巴西的2 3 5 倍，印度的1 2 4 倍。虽然这是一个综合指标，其中含有汇率因素的影响和产业结构、能源结构不 同的影响，但即使排除这些因素，从技术和管理层面上看，我国工业领域主要用 能行业能耗水平也明显偏高，平均比国外先进水平高4 0 。 根据我国资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的 能源结构在相当长一段时间内不会改变。我国能源资源的基本特点：富煤、贫油、 少气，决定了煤炭在一次能源中的重要地位。建国以来，煤炭在全国一次能源生 产和消费中的比例长期占7 0 以上，2 0 0 1 年全国开采量近1 3 亿吨煤炭。 如图卜1 所示，在我国，由于粗放型发展模式及以煤为主的能源结构和低效 能源利用方式，使得目前我国煤炭生产与消费量均居世界首位，c o ：排放居世界 第二：另外，产生的量s 0 2 、n o ，使8 1 6 的城市出现酸雨；在农村，居民生活 第一章绪论 燃料的7 0 仍靠烧柴和秸杆，由此造成薪材过采、植被和森林大面积破坏、土地 生产力下降。1 。 ! 墨苎兰! 堡塞! 堡里里兰曼 图卜1 世界各国能源消费结构对比。1 在城市，煤烟型大气污染非常严重，个别己成为“卫星上看不见的城市”。 据预测，到2 l 世纪中叶我国达到中等发达国家水平时，能源供应量为2 9 3 6 亿吨 标煤，其中煤炭仍占5 0 6 0 ，化石燃料排放的c o , 将达1 5 2 0 亿吨标煤。这种 长时期内以煤为主的能源结构，将使我国区域性污染日益加重，生态环境持续遭 到破坏，在国际上也将承担越来越大的环境压力“。 中国是世界上人口最多的国家。也是世界上能源生产和消费大国之一。从 1 9 8 0 年起，中国开始进入经济起飞阶段g d p 总量迅速成倍增长，2 0 2 0 年将成为 世界上最大的经许实体和出口国，总人口由1 9 8 0 年的l o 亿人增加到1 9 9 5 年的1 2 亿人，到2 0 2 0 年将上升为1 4 亿人，这对能源消费特别是对石油和天燃气的消费形 成持久的巨大需求。如图卜2 所示1 9 7 3 年与2 0 0 1 年世界各地区能源消耗量比较， 其中1 9 7 3 年全世界能源消耗为4 5 4 8 m t o e ( 百万吨标油当量) ，2 0 0 1 年全世界能源消 耗为4 5 4 8 m t o e ( 百万吨标油当量) 。到目前为止，中国的能源消耗已经达到世界总 能源消耗的1 l5 。中国己成为世界上仅次于美国、俄罗斯的第三大能源生产国 和仅次于美国的第二大能源消费国。从1 9 9 7 年开始，中国已经由能源出口国转变 为能源进口国随着中国经济的进一步增长，中国对能源的需求将会进一步增加。 按目前的水平预铡，到2 0 2 0 年中国的能源消耗会达到1 5 0 0 m t o e ( 百万吨标油当 量) ，是1 9 9 5 年的2 倍多，中国已经面临很严峻的能源危机”1 。 第一章绪论 1 9 7 32 0 0 1 45 4 8 m t o e69 9 5m t o e 图l - 2 我国的能源消耗量的变化 注：o e c d 为经济合作与发展组织 无论从整个国际经济气候还是中国宏观经挤大势来看，中国能源问题已经日 趋严峻，节约能耗势在必行而建筑能耗则是人们通常被忽视的重大问题。随着 建筑业特别是住宅产业作为国民经济的支柱产业，在可预见的未来建筑产业仍将 保持高速发展的态势建筑节能问题将成为中国能源问题的重点。 1 2 我国建筑供暖能耗情况“1 随着人民生活水平的提高，建筑能耗增长迅猛。建筑能耗指建筑使用能耗， 包括供暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器等方面的能耗，据统计，中 国建筑能耗的总量在逐年上升，在能源消费总量中所占的比例己从上世纪7 0 年代 束的1 0 ，上升到近年的2 78 9 6 。而建筑耗能最大的点是供暖和空调，据悉，我国 在供暖和空调上的能耗占建筑总能耗的4 5 6 5 。 由于我国建筑围护结构保温隔热差；供暖系统效率不高，各输配环节热量损 失严重：供暖热源规模小，效率不高。我国单位面积供暧平均能耗折合标准煤为 2 0 k g m 2 年，单位面积供暖能耗是相同气候条件下世界平均值的三倍。在我国 北方城镇供暧能耗占全国建筑总能耗的3 6 ，为建筑能源消耗的最大组成部分， 尤其在些严寒地区城镇建筑能耗已高达当地社会总能耗的一半左右。 此外，在我国长江流域以往的建筑设计都没有考虑冬季供暧。目前夏季空调 已广泛普及而随着人们对生活质量的要求越来越高，建设供暖系统、改善冬季 室内热环境的要求也日趋增长。预计到2 0 2 0 年，长江地区将有5 0 亿2 左右的建 第一章绪论 筑面积需要供暖。预计每年将新增供暖煤1 亿吨标煤左右，接近目前我国北方建 筑每年的供暖能耗总和。 综上所述，建筑供暖已经成为我国能源消耗的重点。面对当前严峻的能源形 式，必须采取有效地开源节流措施，否则能源问题将成为阻碍中国经济、社会进 一步发展的瓶颈。除了大力推广节能建筑的应用之外，还要开发利用以太阳能、 风能、地热能、生物能为代表的清洁、可再生能源在建筑供暖中的使用。其中地 热能应用于建筑供暖，已经取得了一定的进展，在我国北方部分省市成功应用于 成片居民小区的供暖工程。 1 3 地热供暖中的一些问题及本文研究内容 由于地热供暖与其它常规供暖方式比较有许多不同之处，有其特殊性，比如 与常规锅炉供暖方式比较，地热水出水温度受地热井的条件限制，温度比较固定， 而锅炉供热的温度可以在一定范围内进行调节。地热供暖的另外一个特点是地热 水是从地下开采出来的，对于单井运行模式是一个开口系统，开采最大流量也受 到地热井及地层条件的限制；而锅炉供暖一般是用循环水，是闭e l 系统。因此， 地热供暖可以被看成是有恒定热源温度的开口地热水热力系统，而普通锅炉供暖 可以被看成是有恒定热流密度的闭口热力循环系统。正是由于地热水的开口热力 系统性质，在获取地热水中热量的同时，伴随着地热水的排放或回灌。同时，还 要考虑由于地热水质的不同对换热器或供暖管网终端散热器造成的腐蚀。此外， 由于地质条件的影响，我国大部分地区要开采温度、流量满足供暖要求的地热水 源需要钻很深的井，造成地热井开采的费用与传统供暖方式比较要高。因此，在 经济优化条件下，最大限度地开发利用所开采出来的地热水中的热量，充分利用 较昂贵代价开采出来的地热水，保护地热资源，实现可持续利用，成为当前地热 供暖工程中首先要解决的问题。 本文主要研究地热间接供暖的应变调峰问题和探讨利用年值费用法研究地 热间接供暖的最优方案。 第二章地热采暖现状及其特点 第二章地热供暖现状及其特点 2 1 中国地热的发展5 1 地热是地热资源的简称，常指能够经济地为人类所利用的地球内部的热能资 源。地热是2 0 世纪形成的一门新兴科学，地热事业在世界上来说也是一项新兴 的事业。地热利用在许多国家都有古老的历史，中国有历史记载的地热利用已经 有2 0 0 0 多年的历史。早在公元二世纪的东汉时期，张衡在温泉赋中就描述 温泉可以治病的情况。在历史上，温泉除了用作洗浴和治疗外，在一些地方也用 于农田灌溉、生活( 工业) 洗涤和提取化工物质( 如硫磺) 等方面。当前，地热 作为一种新兴的清洁能源正受到全世界的日益关注。其中地热能利用的最光辉成 就是世界上已有2 4 个国家建成高温地热资源的发电利用，总装机容量8 8 4 0 兆瓦， 年发电量5 6 2 亿度，占世界能源结构的近1 ，是新能源( 包括风能、太阳能、 生物质能、潮汐能等) 利用的首位。但是，世界地热发电的鼻祖意大利是1 9 0 4 年才开始地热发电试验的，至今刚过1 0 0 年。意大利的地热发电曾一枝独秀占领 世界半个多世纪，到2 0 世纪6 0 年代开始，才陆续有新西兰、美国、日本等国家 跟上来，并逐步超过了意大利。 新中国成立后，对一些温泉地区进行了资源勘查，并建设了一批温泉疗养院， 但是我国地热资源作为新能源的开发始于1 9 7 0 年。当时世界石油危机，使地热 资源作为新能源开发得到了世界上许多国家的重视，我国地质部部长李四光教授 当时号召全国“把开采热水与采煤、石油放在同等地位 。于是，地质系统的勘 查队伍在各地加强了地热资源的勘探。与此同时，一些大学和研究所在某些地方 对地热资源进行了综合利用试验，包括发电、供暖、温室、养殖、医疗等方面。 2 2 我国地热资源储存情况【6 我国有着非常丰富的地热资源，具有相当广阔的应用前景。对于解决现在的 能源短缺问题特别有开发价值。中国地热资源潜力占全球的7 9 ，总能量为l l 1 0 6 e j a ，我国地热资源以中低温为主，几乎遍布各省市自治区，中低温地热 资源由于温度较低，适合于直接综合性利用。据粗略计算，主要沉积盆地小于 2 0 0 0 m 的深度中储存的地热资源总量约4 0 1 8 4 1 0 ”k j ，相当于1 3 7 1l 1 0 1 2 吨 第二章地热采暖现状及其特点 标准煤的发热量，以其1 作为可开采量计算，可开采地热资源总量为4 0 1 8 4 1 0 1 7 k j ，约相当于1 3 7 1 1 1 0 1 0 吨标准煤的发热量。 因中国山地多，全国平均单位面积热储存量将小于沉积盆地单位面积平均热 储存量，全国9 6 0 万平方公里地热资源总量若以沉积盆地单位面积平均热储存量 4 4 1 5 1 0 1 3 k j 的5 0 估算，估计约2 1 1 9 2 x1 0 2 0 l d 或相当于7 2 3 1 0 x1 0 1 2 吨标准 煤的发热量。可开采热量仍以热储存量的1 计算，则全国地热资源可开采量约 相当于7 2 3 1 0 1 0 吨标准煤。 据已勘查地热田的分布表明，全国除上海、宁夏两市( 区) 外，都有可供开 发利用的地热资源分布。这说明我国在地热开发方面具有很大的应用前景。另外， 以中、低温地热资源为主，能够被直接利用。由7 3 8 处地热勘查资料统计，中国 高温地热田仅2 处( 西藏羊八井、羊易地热田) ，余下均为中、低温地热田，其 中温度在9 0 1 5 0 的中温地热田2 6 处，占地热田勘查总数的3 8 ；9 0 以下 的低温地热田( 点) 7 0 8 处，占地热田勘查总数的9 6 。全国己勘查地热田的平 均温度约为5 5 5 。各省( 区、市) 地热田的平均温度以西藏最高，达8 8 6 ； 湖南最低，为3 7 7 。 以天津为例，由于工业机井越钻越深，至2 0 世纪6 0 年代已经在6 0 0 1 0 0 0 米深度的第三系地层发现了3 5 5 5 的地热水。1 9 7 0 年以后，地热勘探深度进一 步加深，最深的钻井已达4 0 4 0 米深度，最高温度己获得1 0 3 ，天津地热田总 面积已超过2 3 0 0 k m 2 ，已钻成近3 0 0 眼地热井。 2 3 地热供暖应用的状况 地热供暖系统已经至少在1 2 个国家使用，包括冰岛、法国、波兰、匈牙利、 土耳其、日本和美国。在美国最早正式的地热供暖项目是1 8 9 2 年爱达荷州的首 府博伊西的地热温泉项目，其最初供暖的家庭数目超过4 0 0 家。冰岛首都雷克雅 未克地热供暖系统是最著名的利用地热的供暖系统。这个系统为大约1 6 万人提 供热能。这个系统为了满足当地室外一1 0 设计供暖热负荷，地热供暖系统设计 安装负荷达到8 3 0m w ；尽管，在更寒冷的时期，需要依靠巨大储藏罐和一处燃 油的调峰加热站来满足增加的热负荷。在法国，6 1 个从沉积性盆地开采地热能 的项目提供超过5 0 万人的供暖所需的能量，约2 0 万套房屋的供暖负荷。这些地 热井开采的深度从1 5 0 0 米到2 0 0 0 米，提供4 0 1 0 0 的热水。例如在巴黎盆 地，一对地热井( 包括一口生产井和一口回灌井) 提供7 0 的水源，由热泵和 传统燃烧化石燃料的锅炉提供调峰负荷盯1 。 在我国自2 0 世纪7 0 年代，地热资源作为新能源开始应用于供暖方面。由于 第二章地热采暖现状及其特点 我国松辽、华北、苏北和汾渭盆地等众多城镇地区有较丰富的9 0 以下的低温 地热资源，并且还具有稳定的供暖市场需求。因此，地热供暖在我国的发展速度 非常快。以天津市为例，天津市地热资源被广泛用于供暖、生活热水、温泉洗浴、 农业温室、水产养殖、矿泉开发以及康乐旅游等领域。天津市用于供暖的地热水 主要开采自雾迷山组和馆陶组，其井口平均温度为8 6 7 1 和6 2 8 。目前，天 津市已有1 0 6 个单位、总面积约1 0 0 0 万m 2 的建筑利用地热水进行供暖，约占天 津市集中供暖总面积的5 8 ，占全国地热供暖总面积7 7 以上，地热供暖面积位 列全国第一。天津市现已成为全国第一个较大规模利用地热供暖的城市。地热供 暖为天津市蓝天工程做出了重要贡献。此外，地热供暖在北京市、河北省、山东 省和山西省等地也在大量投入使用哺1 。 2 4 地热供暖应用中应注意的问题 使用地热供暖能做到无污染、可持续，还有综合利用可发展地方经济；同时 低温地热是低焓热能，用于供暖实现物尽其用较少消耗优质能源。抓住机会发展 地热供暖对我国许多城镇地区提高人民生活质量有重大作用。用地热供暖有三大 问题必须解决，一是资源能实现可持续利用，不破坏环境。二是要采用能抗腐蚀 的地热间接供暖系统。三是所需要的资金能筹措经营能获利，才能与常规供暖竞 争。 2 4 1 地热资源可持续利用条件 ( 1 ) 地热资源的可再生性 近年我国地热供暖增长的速率和增长的绝对值在世界各国中是最快的，主要 是经营利润推动的，如果管理控制不当，将对已开发地区资源可再生和环境造成 近期难以恢复的恶果。在北京、天津、西安和大庆林甸地区都已出现地热供暖能 否实现可持续问题，有的甚至相当严重。天津地区1 0 多年前开采基岩雾迷山地 层热水井大多有自喷能力，目前静水位已降至地表面以下6 0 米左右，并以每年 大致平均下降6 米左右的速度发展。西安和大庆林甸都发生了有的地热井地热水 接近衰竭导致地下和地面工程几近报废的情况。人们怀疑地热是否属于可再生能 源? 专家们是有过争议的，2 0 0 0 年在日本召开的世界地热大会上，大多数专家 认为地热能仍然可看成为可再生能源。地热的可再生是基于地球内部有巨大的热 量，但在人类活动地区并可被利用的仅只是很小的一部分。世界各地许多天然温 泉多少世纪以来没有衰减，说明了它的可再生性。这种状况显然是地表排放与地 下深处热补充之间有平衡关系存在。只要利用的地热量不超过天然可补充量，就 第二章地热采暖现状及其特点 能完全看成是可再生的，它的再生补充能力是由地壳构造所控制，不同的地点和 开采方式其差异性是非常大的。 从地热井的热储层开采流体和热量，导致热储层的流量和热量都会逐步减 少，开采停止后受天然作用驱动，开始压力、温度梯度的再生过程，压力恢复最 快，跟着是温度重新上升，恢复能力随着时间延长而减小，理论上要无限长时间 才能全部恢复再生，再生显示是呈渐近线特性，再生力初始很强而后放慢。然而 实际补充再生恢复到9 5 所需时间要短的多。地热资源不需像矿物燃料如煤、 油、天燃气所需的地质年代才能生成，因此地热的再生从总体所需时间看可以被 认为是可再生的。 可再生与可持续发展有关系但又是两个不同的概念，可再生是说明资源的一 个性质，而可持续是说明资源利用方式。可持续发展必须有可再生作为基础，可 持续开采仅只能在可再生能源中获得，没有再生能力是不可能持续发展的。这可 以用开发海洋渔业作比方，海洋的渔业资源是有再生能力的，但长期捕捞过量超 过再生能力，渔业资源将被破坏而衰竭，没有了持续发展，要永续利用就不能超 出再生能力，地热能的再生与它有相似之处。 按资源补充状态分类有对流型和导热型的，地热井热源如有来自地下较深处 对流热水补充的，可再生能力强；而我国北方各大盆地是沉积盆地热水，仅靠导 热补充热的能力差也可看成“有限制的可再生能源”。 ( 2 ) 低温地热供暖的可持续发展 只要开采的地热量不超过天然补充量就是可持续的，它的再生补充能力是由 地壳构造所控制，由于资源状态差异性大，再加利用方式有很大区别，所以要做 到可持续开发是一个非常复杂的问题。地热开采在地下热储层形成了水力和热力 漏斗导致重新建立压力和温度梯度状态，热温差加大会引起相应热储层导热再生 能力增强出现“增量”，而后达到一个新的稳定状态，经过一定时间后产生一个 相对稳定的水温，产量进一步持续下去，只要科学适度的利用好这“增量”就能 是可持续的。当占有资料、技术能力和经验条件不太充分时，应当只能从小规模 少量起步，拟订相应水位的开采限量指标，不能超采。 ( 3 ) 利用对井回灌技术增加地热开发强度陆1 完全依靠自然补给常常不能满足使用和经营的要求，要增加产量又要保持可 持续性，可以和应当利用对井回灌技术合理地增加地热开发强度，国内外的实践 经验表明利用对井回灌技术合理地增加地热开发强度是可行的。 抽取深层地热水通过换热器把热送到区域供暖管网，被冷却的地热水通过在 地下有足够距离的另一口井回灌到地下。由于地热循环热流体逐渐不断被回灌的 冷水置换，导致热量下降，回灌井范围向生产井扩展。一直到回灌水温度波影响 第二章地热采暖现状及其特点 到生产井，使生产井水温开始下降形成热突破时，这段时间间隔取决于生产井的 开采量、井间距和热储层的物理、几何特性。回灌除了可获得较多的热量以外， 还有几个重要的好处，据水文地质专家测算，我国塘沽沉积盆地可采热水资源量 平均为积存资源量的1 1 ，即只能取出地下热储层中l 左右的热量，采取回 灌后就可能多得到几倍到2 0 倍的热量。多处试验和实际工程观测证明，回灌将 使热储层压力有较快的回升，能减小由开采地热可能引起的地面沉降。有了回灌 避免了地热水用后地面排放，由于地热水较高的矿化度和高于环境的排放温度将 造成的对环境的污染。 天津为了缓解基岩地热水过快的下降趋势，截至2 0 0 2 年采用同层回灌、异 层回灌和两抽一回灌三种方式己建成对井1 1 组，取得了一定的经验。为了确定 回灌井位置，要在生产井打成后进行非稳定流抽水实验，利用压降曲线的形状来 判定边界条件，再结合地质构造分析选定回灌井位，避免在将来回灌时在生产井 和回灌井之间出现管道流。为了防止地下水被污染、防止较快的被结垢堵塞，对 不同的热储层回灌水质都有不同的的要求。经验表明通常孔隙热水储层回灌问题 较多；基岩裂隙岩溶型热储层当地压下降后自流回灌大多是可行的。 上一世纪7 0 年代的世界石油危机促使在法国巴黎地区提出采用深层地热水 供热方案，由于深层地热水含盐量高达每升3 0 克，地热用后热后无法排放，于 是想到了回灌。到2 0 0 1 年巴黎地区有3 3 对地热井在运行，井深范围从1 1 6 5 米 到1 9 8 0 米，井口平均水温大约是7 0 ，供暖利用后水温大约在3 5 , - - 4 0 。据地 热研究部门用热储模型计算分析推测，生产井和回灌井间距1 0 0 0 m ，回灌冷水温 度波传播3 0 年影响生产井水温下降1 。 我国目前多数是只开采无回灌，南方不供暖地区开采的目的就是为了取热 水，用后大多无冷水可回灌；北方地热供暖后用不了的地热水，因为没有回灌井 谈不上回灌。这些地区只能依靠严格限量开采才能可持续。否则除了资源天然补 给能力远大于抽取的水量和热量的罕见情况外，地热储水层的压力只会出现迅速 下降，我国有的地方地热井出现过平均年水位下降l o m 左右甚至更多的状况， 长期利用难以为继是掠夺破坏性开采。 2 4 2 防腐问题 地热对金属腐蚀是普遍存在的而且往往很严重。地热水中最常出现起主要作 用的腐蚀成分是氯( c l 。) 和溶解氧( 0 2 ) 。氯离子半径小，穿透能力强，因此容易穿 过金属表面已有的保护层造成对碳钢、不锈钢及其他合金强烈的缝隙腐蚀、孔蚀 与应力腐蚀等。氯离子对金属的腐蚀作用还与温度有关，6 0 的地热水氯离子含 量仅只2 0 0 m g l 时，也会使不锈钢产生局部腐蚀，温度越高腐蚀作用越强。在地 第二章地热采暖现状及其特点 下深层地热水自然状态下通常不含氧，流出地面后空气中的氧会溶入地热水，溶 解氧也是地热水中最常见最重要的腐蚀性物质。 为了防腐应当采用带有换热器的间接供暖系统，如图2 - 1 地热间接供暖系统 示意图所示，地热腐蚀将局限在井口和换热器部分。如果不用换热器将出现： ( 1 ) 系统被腐蚀； ( 2 ) 供暖系统是开口的要不停的向外排水，系统的某些立管容易出现排空 缺水造成供暖中断，系统水力稳定性不好； ( 3 ) 地热水流经散热器后被污染，水质变差影响后续利用也不宜再回灌； ( 4 ) 地热水流量、温度常常不符合供暖系统水量与温降的要求。 生产井 回灌井 图2 1 地热间接供暖系统示意图 地热直接供暖是将地热水直接送入供暖用户终端散热器，而不用换热器，其 优点是：a 没有传热温差损失；b 节省了换热器的投资。虽然直接供暖初看有 系统初投资少，地热水热量利用较充分等优点；但腐蚀严重增加了系统的维修工 作，甚至设备、管道被破坏。有些地热直接供暖用户，由于地热水的腐蚀，系统 使用不到两三年即被破坏，而不得不重新更换，造成较大的经济损失。我们几次 遇到原来直接供暖系统由于腐蚀、系统水力平衡调节困难，用了一两年后不得不 口且r 第二章地热采暖现状及其特点 加装换热器重新改装为间接供暖，改建设计困难，投资损失也很大。 有的人想依靠隔绝氧的溶入就可避免氯离子的腐蚀，因为氯离子的强烈腐蚀 作用只是当地热水存在溶解氧时才表现出来，然而实际的情况是只要有微量溶解 氧的存在都要引起腐蚀，要求一个实用的供暖系统全面与氧隔绝几乎是做不到 的。有的人也用过加药措施，往地热水中加亚硫酸钠( n a 2 s 0 3 ) 除氧；另一种是 加磷酸盐类药物在整个系统内表面做成保护膜，运行时要计量加药量和对金属做 腐蚀监测。地热直接供暖使非循环用水长期排放加药后的地热水对环境要产生累 积影响。依靠加药的方法要有加药设备初投资和加药运行费的投入，大多由于运 行困难或经济不合理而告终。 换热器的选择和价格。选型：由于地热水温不高与常规热力站用换热器相比 温差常要小许多，板式换热器传热系数比管壳式大，另外便于打开观察腐蚀情况、 清洗结垢，通常只能用板式换热器。选材：可参照生产厂家提供的资料决定用不 锈钢的或钛板的，用不锈钢的价格大约是钛材的1 2 ，但深井地热水能用不锈钢 抗腐蚀的，在我们过去完成的大约百项地热供暖工程中只能占到5 ，因此绝大 多数只能选用钛板换热器。价格：钛板换热器的初投资分摊到住宅供暖每平方米 上为2 8 元，地热水温越高分摊的费用越低。传热温差损失大约在5 一1 5 地热 水温越高损失的百分比越少。 通过换热器的间接供暖尽管增加了换热器投资和传热温差损失，但为了防止 系统过快被腐蚀，国内外经验告诉我们用间接供暖几乎是唯一正常合理的方法， 否则很可能是得不偿失的。 2 4 3 开发效益和可持续发展 由于地热资源和利用状态差别很大，投入产出变化幅度之大常是投资其他产 业难以想象的，因此经济效益相差悬殊。我们不能成为使地热资源就像一大堆钞 票，谁都可以闭着眼去抢，结果一下子就抢没了，过量开发必将导致资源衰竭短 期难以恢复。经济利益驱动常常是造成破坏资源和环境的主要因素，对此要依靠 立法同时用经济手段解决。 开发地热有社会效益同时也有大量的社会成本，有的社会成本与投资者和消 费者没有明显直接的关系，但必须投入资金。就以建立资源变化数据库和组织回 灌为例都是非常复杂的工作，搞的不好会破坏资源，前期支出应当靠资源费是合 理的，为地热持续开发铺路。 第二章地热采暖现状及其特点 2 5 地热供暖工程的特点及对环境的影响 2 5 1 地热供暖工程的特点 ( 1 ) 地热供暖使得资源得到充分合理的利用。 地热供暖使用低于9 0 c 的低温地热水供暖，代替具有高品位能的燃料化学 能，大大减少了可转变为功的热能损失。节约了具有高品位热能的化石燃料( 如 煤碳、石油、天然气) 。 ( 2 ) 地热供暖改善城市环境质量。 目前中国大城市的大气污染相当严重，污染物来源中，燃料燃烧产物占7 0 ， 主要为煤烟型污染，以天津市为例，现在每年烧煤约为1 0 0 0 万吨，产生烟尘4 0 万吨年，c 0 ：2 5 万吨年；燃煤地区集中，占全市面积1 4 的市内六个区，却集 中燃烧了5 7 3 总煤量，在冬季供暖期燃煤都是低空排放烟尘，对人的危害最为 严重，供暖期市区内s o ：含量为非供暖期的2 3 倍，超过环境标准所容许的面积 达9 平方公里。类似的现象在中国北方城市大都存在。 ( 3 ) 地热供暖可以提高人民的生活水平。 目前中国为了节约能源规定室外日平均温度等于或低于+ 5 以下日期为供 暖期，按照人的生理要求，最好在i o * c 以下开始，地热供暖因不用燃烧燃料， 可以按照人的生理要求供暖，供暖期比现在大约长四分之一，同时可以全年供应 生活热水。这些将会改善人们的卫生条件，使人们工作和生活的更舒适。 ( 4 ) 地热水的结垢和腐蚀 从地层深处开采的地热水含有许多化学物质，它在开采、输送和利用过程中， 由于温度、压力的降低和与大气和金属材料的接触，会产生一系列复杂的变化和 反应。压力的降低会引起某些气体的逸出，造成碳酸钙等成分析出，沉积在管线 和设备上形成结垢层，增加流通阻力，降低传热效率。结构严重时，供暖系统分 支管路，使用一、二个供暖季就要更换。同时，地热水中的化学物质对金属有时 要产生强烈的腐蚀作用，普通阀门、管路和金属设备不耐腐蚀，会出现失灵、穿 露等破坏现象，而需要更换。有时腐蚀和结垢问题严重时，将被迫放弃地热井。 2 5 2 地热利用对环境的影响 大量开采地热水，会引起破坏附近旅游温泉、自然景观；此外由于地热水所 含化学物质不能直接排入地面自然水域及农田，否则会污染水源和土壤。而且大 量开采浅层地热水，还会引起地面沉降。开采地热水对环境的影响，有些要靠长 期观察才能发现，许多问题还需要进一步研究，但必须慎重对待，否则问题形成， 第二章地热采暖现状及其特点 会造成无法挽回的严重后果和损失。 2 6 小结 本章通过介绍我国地热的发展、我国地热资源储存情况及地热供暖应用情 况，并通过分析对地热在供暖工程中应注意的三点问题和地热供暖工程自身具有 的特点，阐明t n 用地热供暖是解决当前我国建筑能耗巨大的方法之一。由于地 热自身的特点，在地热供暖应用的过程中，还需认真分析合理开发，才能使地热 资源的利用实现可持续发展。 第三章地热供暖模式及应变调峰原理与技术措施 第三章地热供暖模型及应变调峰原理与技术措施 3 1 地热供暖系统的常用模型 3 1 1 地热水直接进入室内供暖系统的供暖方式 地热直接供暖方式是指地热水直接通过热用户，然后排放掉或回灌。这种供 热方式设计结构简单，如图3 - i 所示。在地热水进入热用户之前根据水质条件可 以增设除砂器，为调节进入热用户的温度增设供暖调峰装置和混水器等。如果采 用锅炉调峰装置，地热水相当于锅炉供水。如果采用热泵调峰，一般以通过热用 户后排放之前的地热水作为热源为热泵的蒸发器提供热量。使地热水的排放温度 进一步降低。 地热水 1 r 一 础! l j 生产井 图3 - i 地热直接供暖方式系统示意图 一般采用地热直接供暖方式有些限制条件。其一：地热水的腐蚀性较低， 即含有较低的诱导化学腐蚀的一些成分，如氯离子c f 一、硫酸根离子s o ：一等。地 热水的化学腐蚀性是相对而言的，即指散热器和管网系统的腐蚀与供暖系统的运 行管理状况有很大关系，即使含有化学腐蚀性成分，如果严格的控制系统内的含 氧量将大大减少腐蚀速度。其二：地热管网系统的结垢控制，尽管低温地热水不 象高温两相地热流体的结垢趋势那么强，但是如果有结垢出现将影响系统的散热 第三章地热供暖模式及应变调峰原理与技术措施 性能，降低地热水的有效热利用率，因此在选用地热直接供暖方式之前，应对地 热水的腐蚀和结垢趋势进行充分的论证。其三：由于直接式地热供暖系统的水力 调节性较差，在系统的压力平衡上应加以考虑，一般不宜用于高层建筑的供暖， 因为此时地热水泵的承载扬程过高，水头也难以稳定。但是，由于直供式是开口 系统，完全保证系统的密闭性是不可能的。所以，对于开口系统腐蚀的可能性要 远比间接传热大的多。 除了以上主要限制条件和一些缺点外，直接式地热供暖也有其优点，比如与 间接式地热供暖方式比较温差损失小供暖效率高、初投资少。 3 1 2 地热水经换热器换热后供室内系统的供暖方式 间接式地热供暖系统与直接式不同，地热水不直接通过热用户散热器，而是 通过换热站，将热量传递给供暖管网循环水，温度降低后的地热水回灌或排放掉。 由于地热水不经过供暖管网，热用户中只是循环水，散热器的腐蚀性保护比较容 易做到。同时，供暖管网的循环泵由于主要是为了克服循环系统的沿程阻力，系 统压力也比较稳定，在大规模集中地热供暖中推荐采用间接式供暖系统。缺点是 由于增加了换热站，循环水进入热用户的温度会比地热水的出水温度低。两者之 间的温度差反映换热站的温度损失，在循环水被地热水加热之后可以再以锅炉加 热或热泵用于调峰，如图3 2 所示。由于在地热井和热用户散热器之间多了一个 换热站，因此在热力计算上要比直接式供暖系统复杂一些。 d 司_ 一 地热水 ；厂 1 厂循环泵 生产井回灌井 图3 2 地热间接供暖系统示意图 第三章地热供暖模式及应变调峰原理与技术措施 3 1 3 地热水经换热器换热后结合调峰设施的间接供暖方式 地热水经换热器换热后结合调峰设施的供暖方式是在间接式地热供暖系统 的基础上，增加调峰设施的地热供暖方式，如图3 - 2 所示。此方式不但提高地热 资源利用率，增加供暖面积，还可以降低环境污染。 回灌井 图3 - 3 结合调峰的间接供暖系统示意图 3 1 4 热