浅层地热能开发利用条件分析及开发利用实施步骤细节修改版.doc

1 目目 录录 1 学到了知识 初步掌握了建设中的关键环节 2 1 1 地源热泵机组与适宜性评价 2 地源热泵系统的基本原理 2 地源热泵系统分类 3 地源热泵自身优点 3 地源热泵的发展前景 5 热泵机组与相关设备 6 地源热泵资源现状及适宜性评价 8 1 2 地源热泵设计与施工 9 建筑物负荷计算 9 土壤源热泵系统设计 10 土壤源热泵系统的施工 11 1 3 地源热泵建设中的相关经济参数 12 2 得到了启示 坚定了地源热泵开发利用的信心 12 2 1 有行动才有结果 13 2 2 有示范才有张力 13 2 3 有开拓才有后劲 13 3 拓宽了思路明确了目标 14 4 浅层地热能开采中存在的问题及应注意事项 15 2 地源热泵地源热泵学习考察报告学习考察报告 2012 年 6 月 18 日至 6 月 23 日 我们一行五人带着院长的重托 就地源热泵技术的推广及应用等问题 到山东曲阜 泰安 济南 青岛等地组织学习考察 这次学习考察组织严密 内容丰富 形式 活泼 在山东省地矿局韩在深总经济师的安排下 日夜兼程 边看 边学边议 深感受益匪浅 体会较多 本次通过对山东省第五地质矿产勘察院 山东省浅层地热能研 究推广中心等单位的现场考察 室内学习及相关资料的收集整理 开阔了我们的眼界 看到了地源热泵开发利用的大好前景 学到了 知识 初步掌握了建设中的关键环节 得到了启示 坚定了地源热 泵开发利用的信心 现就本次考察学习的详细内容做如下报告 1 学到了知识 初步掌握了建设中的关键环节 学到了知识 初步掌握了建设中的关键环节 1 1 地源热泵机组与适宜性评价地源热泵机组与适宜性评价 地源热泵系统的基本原理 热力学第一定律指出能量是守恒的 它只能从一个物体传递给 另一个物体 或从一种形式转变成另一种形式 而热力学第二定律 指出能量的传递具有方向性 从高温物体向低温物体传递的热量可 以自发进行的 而低温物体向高温物体的热量传递需要借助外力才 得以实现 正如我们把水从低处提升到高处时需要做功一样 这就 是热泵技术的工作原理 热泵的作用是从低温热源中吸取能量 并把它传递给高位热源 在这个过程中虽然消耗了一定的高品味能源 但是向高位热源供给 的却是从低位热源中提取出的能量与高品位能源之和 因此 热泵 装置是一种节能装置 其能效比可达到 4 在冬季 把土壤中的热量 取 出来 提高温度后供给室内用 3 于采暖 在夏季 把室内的热量 取 出来释放到土壤中去 并且 常年能保证地下温度的均衡 地源热泵系统分类 地源热泵是一种使用土壤 地下水 地表水作为热源和热汇的 热泵系统 它可分为三大系统 土壤源热泵系统 土壤源热泵系统包括一个土壤耦合地热交换器 它或是水平的 安装在地沟中 或是以 U 型管状垂直安装在竖井之中 不同的管沟 或竖井中的热交换器并联连接 再通过不同的集管进入 不同的管 沟或竖井中的热交换器并联连接 再通过不同的集管进入建筑中与 建筑内的水环路相接 在液体温度较低时 系统中需要加入防冻液 地下水源热泵系统 地下水地源热泵系统分为两种 一种通常被称为开式系统 另 一种则为闭式系统 开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应 到每台热泵机组 之后将开水回灌地下 闭合式地下水地源热泵系 统中 地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开的 通常系 统包括带潜水泵的取水井和回灌井 地表水源热泵系统 地表水地源热泵系统 通过直接抽取或者间接换热的方式 利 用湖水 河水 水库等水作为热泵冷热源 与土壤热交换地源热泵 系统一样 他们被连接到建筑物中 并且在北方地区需要进行防冻 系统 以上三个系统的应用均受到资源性条件的约束 因此 资源基 础数据库的建立和系统性条件的综合权衡 可以帮助我们决定以上 系统中的哪一种形式最适宜采用 4 地源热泵自身优点 地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高 效节能环保型空调系统 浅层地热能是地球热能的重要组成部分 是蕴藏在地表以下一定深度范围内 一般为恒温带至 200m 的范围 的岩土体 地下水和地表水中具有开发利用价值的热能 温度一般 低于 25 温度稳定 分布广泛 其自身具有以下优点 地源热泵利用的是可再生能源 地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量并在浅层地下保存起来 一部分热量在冬季供建筑物的采暖 另一部分热量则直接散发到空 气中 就全年来说 建筑物利用浅层地热的热量和冷量大体上是相 等的 它不受地域 资源等限制 真正是量大面广 无处不在 这 种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源 使得 地能 成为清洁 的可再生能源一种形式 地源热泵属经济有效的节能技术 由于地源热泵的热源温度全年为 10 20 冬季供热时 水体温 度比环境温度高 所以热泵循环的蒸发温度提高 能效化也提高 夏季制冷时 水体温度比环境温度低 冷却效果提高 机组效率也 提高 运行费用仅为普通中央空调的 50 60 与供热锅炉和电热 膜供热相比节约了 60 左右的电能 同时 地源热泵的效能比 cop 可达到 4 以上 也就是说消耗 1kw h 的能量 用户可得到 4km h 以上的热量或冷量 属经济有效的节能技术 另外 地能温 度较恒定的特性 使得热泵机组运行更可靠 稳定 也保证了系统 的高效性和经济性 地源热泵环境效益显著 其装置使用电力 没有燃烧过程 对周围环境无污染排放 不 需使用冷却塔 没有外挂机 不直接向周围大气环境排热 没有热 岛效应 没有噪音 不抽取地下水 不破坏地下水资源 可以建造 在居民区内 没有燃烧 没有排烟 也没有废弃物 不需要堆放燃 5 料废物的场地 且不用远距离输送热量 环保效益显著 地源热泵一机多用 一套地源热泵就可以实现供热 供冷和生活热水供应 一套设 备可以代替原来的锅炉和空调两套系统 一次性投资仅为传统供热 制冷的 70 地源热泵空调系统维护费用低 使用寿命长 在同等条件下 采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用 地源热泵非常耐用 它的机械运动部件非常少 所有的部件不是埋 在地下便是安装在室内 从而避免了室外的恶劣气候 机组紧凑 节省空间 自动控制程度高 基本不需要维修 可无人值守 运行 可靠 使用寿命可达 20 年 由以上可看出 地源热泵自身所具有的众多特点决定了其在技术 和经济上的极大优势 目前 中国地源热泵市场也超活跃 可以预 计 该项技术将会成为 21 世纪最有效的供热和供冷空调技术 地热 成 低碳时代 供暖模式的时代已经到来 地源热泵的发展前景 随着我国经济实力的不断增强 人民生活水平的提高 人们追 求舒适生活环境的愿望日益强烈 中国传统的供热模式已经远远不 能满足当今社会对于 低碳 环保 节能 等国家大政策的推广 同时随着我们对可再生能源应用与节能减排工作的不断加强 地源 热泵市场的潜力也被广泛认知 近年来地源热泵的推广应用步入了 发展快车道 据 2010 年中国中央空调市场报告 中的数据显示 2010 年度全国地源热泵市场的整体容量达到了 22 亿元 相比 2009 年度增长达 22 2 以上递增速率计算 预计 2012 年整体容量将达 到 33 亿元 总结地源热泵市场现状 我们普遍认为 市场空间广阔 尤其是东北 西北等对冷热需求较大的地区 具有较高的适用性 加上 可再生能源法 节约能源法 可再 6 生能源中长期发展规划 明用建筑节能管理条例 等法律规范的 相继颁布和修订 奠定了地源热泵在我们建筑节能与可再生能源利 用重的重要地位 同时国家政府补贴政策对地源热泵的发展也起到 了里程碑式的作用 覆盖面广 北方供暖应用效果显著 如北京 天津 东北等 地 作为地源热泵市场推广的先行者 为该产品的应用发展奠定了 坚实的基础 受气候影响 北方供暖的需求比较高 而地源热泵系 统在供热时节能效果使其在北方市场的发展已呈破竹之势 符合产业政策 地源热泵技术高效节能 属再生能源 符合 我国建设节能型社会和提倡环境保护及可持续发展的能源政策 国 土资源部 国家发改委和建设部等有关部门对推广利用该技术非常 重视 并对开发利用浅层地热能提供政策扶持 环境和经济效益显著 地源热泵机组运行时 不消耗水也不 污染水 不需要锅炉 不需要冷却塔 也不需要堆放燃料废物的场 地 环保效益显著 地源热泵机组的电力消耗 与空气源热泵相比 也可以减少 40 以上 与电供暖相比可以减少 70 以上 它的制热 系统比燃气锅炉的效率平均提高近 50 比燃气锅炉的效率高出了 75 总体来说 随着国家逐渐取消传统燃煤锅炉供热模式 以及燃 油 燃气价格的上涨 地源热泵的发展前景可观 再加上节能环保 的大势所趋 可以预见的未来是美好的 作为一项可用可行的节能 技术 前景值得期待 热泵机组与相关设备 机组组成与相关设备 基本组成 地源热泵应用的是水源热泵机组 是一种以水作为冷 热源产生传热介质的供冷 供热机组 水源热泵机组按低位热源类 型 可划分为水环热泵机组 地表水和地下水源热泵机组和地下水 7 环式水源热泵机组 即土壤源热泵机组 水源热泵机组主要由压缩 机 蒸发器 冷凝器和膨胀节流阀组成 热泵组机主要由蒸发器 压缩机 冷凝器和膨胀阀四部分组成 A 压缩机起到压缩和输送循环介质 制冷剂或冷媒 从低温 低压到高温高压的作用 是热泵改制冷的心脏 B 蒸发器是输出冷量的设备 它的作用是使经节流阀流入的制 冷剂液体蒸发 以吸收被冷却物体的热量 达到冷制的目的 C 冷凝器是输出热量的设备 从蒸发器中吸收的热量连同压缩 机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走 达到制热的目 的 D 膨胀阀或节流阀 对循环工质起到节流降压作用 并调节进 入蒸发器的循环工质流量 应用冷凝器排出的热量进行供热 应用 蒸发器吸收的热量进行制冷 工作原理 在制热情况下 压缩机排出的高温高压的制冷剂过 热蒸气 在冷凝器中与高位热源进行热交换 向外界释放热量 高 压的制冷剂液体进过节流装置后 经历一个等焓过程 成为低压两 项流体 在蒸发器内 吸收低位热源的热量 成为低压饱和蒸汽后 进入压缩机 至此完成一个热泵制热循环 从蒸发器中吸收的热量 在冷凝器中被冷却介质用带头用其排出的热量进行供热达到制热的 目的 热泵制冷循环工作原理 即通过换向阀的切换 使制热工作时的 冷凝器在此时变为蒸发器 而制热工作时的蒸发器则变为冷凝器 通过蒸发器吸收用户产生的热量 通过制冷循环将热量排出周围环 境 将膨胀阀流入的制冷剂液体蒸发达到吸收热量进行制冷的目的 主要设备 压缩机 目前还没有热泵专用压缩机 许多热泵用压缩机都是在 制冷用压缩机原有结构工艺基础上加以改进而成的 压缩机被称为 8 是系统的 心脏 故采用国外的比较可靠 9 根据热力学原理 压缩机可分为容积型和速度型 目前热泵中最 常用的压缩机是容积型中的往复式压缩机和螺杆式压缩机 换热器 换热器种类多 主要有管壳式 板式和管套式三种 目前常用的以管壳式较多 其优点是结构简单 承压高 不易堵塞 选用合适的换热器 冷凝器 蒸发器 对热泵的节能效果和经济性 能是有一定的影响 节流阀 节流装置它的作用是对循环制冷剂起到节流降压作用 并调节进入蒸发器的制冷剂流量 地源热泵资源现状及适宜性评价 资源状况 我国幅员辽阔 土壤地质情况也千差万别 就地源热泵系统设 计应用类型和应用方式而言 其所涉及的地质情况 往往与其设计 深度有关 如对土壤源热泵系统而言 其地理管换热器的设计深度 通常在地表以下 160m 深度范围内 山东济南以 100m 设计深度最为 常见 对地下水源热泵系统来说 地下水抽水井和回灌井的设计深 度在地表以下 400m 深度范围内 以 200m 以内的设计深度最为常见 西安 咸阳 杨凌等地 以渭河冲积平原为主 地层岩性以粉 质粘土 砂土 少量卵石最为常见 据 咸阳市区水文地质工程地 质综合勘查报告 成果 咸阳市区 250km2范围 300m 深度内 地下 水可开资源总量为 109 28 104m3 d 其中潜水可开采资源量为 68 27 104m3 d 浅层承压水可开采资源量为 32 3 104m3 d 深度承压水 可采资源量为 8 68 104m3 d 初步估算蕴藏在地表 200m 以内的 温度保持在恒定的不超过 25 的热能资源量达 100 57 104m3 d 可 见咸阳市区有丰富的浅层地热能可供开发利用 但对地源热泵系统而言 开采回灌工艺难度较大 故采用土壤 10 源热泵较为适宜 土壤源热泵适宜性评价 土壤源热泵系统是以岩土体作为热泵机组的低温热源 传热介 质通过地下热换器 冬季从岩土中的吸热 夏季向岩土中排热 从 而实现为建筑物供热 制冷的系统 由于地下一定深度处 土壤温 度较为恒定 作为热泵机组的低温热源 可使机组达到较高的运行 效率 并且运行较为稳定 从 浅层地热能勘查评价技术规范 可知 竖直地理管换热方 式适宜性可分适宜区 较适宜区和适宜区三种 主要从第四系厚度 卵石层总厚度和含水层总厚度三个指标来权衡 见下表 竖直地理管换热方式适宜性分区竖直地理管换热方式适宜性分区 单项指标 地表以下 200m 范围内 分区 第四系厚度 m 卵石层厚度 m 含水层总厚度 m 综合评价标准 适宜区 100 5 30三项指标均符合 较适宜区 30 或 50 1005 1010 30 除适宜区与不适宜 区以外的其它地区 不适宜区30 50 10 10任一项指标符合 由此可见 适宜性评价前必须进行浅层地热能资源评价 以场 地浅层地热能勘查为主 1 2 地源热泵设计与施工地源热泵设计与施工 建筑物负荷计算 在进行地源热泵系统设计之前 必须对建筑物的冷 热负荷进 行精确估算 估算时首先应进行空调分区 然后确定每个分区的冷 热负荷 最后计算整幢建筑总供热与供冷负荷 分区负荷用于各分 区热泵的造型 总负荷用于确定热泵系统主设备容量及地源热泵系 统需要的附属设备的选择 11 土壤源热泵系统设计 岩土热性参数 岩土热性参数 土壤的初始温度 土壤的导热系数 土壤的容 量 作为土壤源热泵系统勘察设计的关键性参数 直接影响了整个 系统设计合理与否 直接影响地热利用的效率和投资成本 是土壤 源热泵系统设计和应用的前提 也是当前浅层地热利用技术推广的 难点 准确获得项目所在地岩土热物性参数 不仅是影响地埋管换 热器 同时也是决定整个土壤源热泵系统设计成功与否的关键性参 数 有关研究表明 当地下岩土的导热系数发生 10 的偏差 则设 计的地下埋管长度偏差约为 4 5 5 8 地埋管换热器环路形式选择 在现场勘测结果的基础上 首先要确定热交换器是采用垂直竖 井方式还是水平布置的方式 当前利用地表面积较大 浅层岩土体 的温度及热物性受气候 雨水 埋设深度影响较小时 宜采用水平 地埋管换热器 否则 宜采用竖直地埋热管换热器 地埋热管换热器的设计原则 地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算 最小计算周期 宜为 1 年 计算周期内 地源热泵系统总释热量宜与总吸热量相平 衡 目前在一些工程应用中 设计与应用地源热泵系统时忽视了冷 热负荷的平衡问题 导致热堆积或者冷堆积 使地源热泵机组系统 能效大幅降低 这说明浅层岩土体不是什么取之不尽的低温热能资 源 而仅仅是作为一种储热层 因此 在基于 浅层地热能 的资 源观点发展地源热泵 在大面积推广的背景下 地源热泵的低温能 量由何处来必须要先思索清楚 否则将会违背能量守恒定律的基本 原则 只有浅层岩土层季节蓄能才能保证地源热泵低温热量源源不 断 才能成为有源的热泵 12 土壤源热泵系统的施工 1 施工原则 土壤源热泵系统施工之前应首先做好现场勘察资料及业主对工 程的要求制定详细的施工组织方案 并遵循以下原则 详细掌握打井区域的地下管线 因地制宜选择合理的钻井方式 完整基岩采用潜孔锤钻井 砂 或土层采用 150 180 型岩芯钻机 孔径 150mm 孔深 100 120m 孔 距 5m 左右 确定地埋管换热器的位置位于项目规划红线以内 施钻过程中应确保钻孔垂直 且孔深应超过设计深度 0 2 1 0m 严格控制管路焊接质量 严格控制钻井回填质量 做好隐蔽工程施工记录 确保施工顺利开展 2 钻井成井工艺 钻井的钻进方法应根据岩石可钻性等级以及岩石的物理力学特 征 地层特点和地质要求等选取 岩石可钻性等级及常用钻进方法 见相关书籍 3 回填工艺 回填过程及回填材料 回填材料应采用网孔不大于 15mm 15mm 的筛 保证回填材料 不含有尖利的岩石块或其他碎石 用 U 型管安装完毕后 应立即灌 溉回填封孔 隔离含水层 回填过程中应严格保证回填质量 应采 用泥浆泵 机械回填而非人手动回填 灌浆回填材料一般为膨胀土和细砂或水泥的混合浆或其他专用 灌浆材料 膨胀土的比例宜在 4 6 如果地埋热管换热器设在非 常密实或坚硬的岩土体或岩石的情况下 宜采用水泥基料灌浆 回填密实度的检测 13 U 型管的回填是 U 型换热器施工的关键步骤 按规范要求回填 应采用泥浆泵灌注回填 以保证回填密度 但实际多采用原浆自然 回填难以保证回填质量 尤其是分布砾石 卵石的情况下 容易造 成回填不密实 影响换热器系统的换热效果 主要原因是采用泥浆 泵回填需要钻进直径较大 一般 150 180mm 较适宜 即增加回填 材料的成本 4 管道连接 垂直热交换器的安装连接应包括 按钻孔平面图完成每个垂直热交换器的安装 每完成一个垂直热交换器 应进行试压 按照工艺要求和管材的安装要求 将所有垂直热交换器连接 到循环集管上 循环集管的试压应当在回填之前进行 循环集热管应做好保温 5 运行调试 运行调试应包括系统检查和系统调试两部分 具体细节按规范 进行 1 3 地源热泵建设中的相关经济参数地源热泵建设中的相关经济参数 就山东济南而言 地源热泵投资总费用为 单位面积投资 350 400 元 m2其中盘管 100 120 元 m2 机房 80 100 元 m2 室外安装 100 元 m 运行总费用 20 12 元 m2年 其中冬季采暖运行费为 11 24 元 m2 夏季制冷运行费为 8 17 元 m2 机组维护费用为 0 71 元 m2年 2 得到了启示 坚定了地源热泵开发利用的信心 得到了启示 坚定了地源热泵开发利用的信心 山东济南之行 是一次学习借鉴地源热泵开发利用的理念 增 强经济发展后劲的好机会 也是一次打开市场 谋求发展 更新理 14 念 明确开发利用方向的好过程 山东地矿局地源热泵的成功实践 可圈可点 我们从中得到 三大启示 2 1 有行动才有结果有行动才有结果 行动代表着眼力 眼里反映出魄力 山东地矿局地源热泵的成 功应用 首先得益于瞄准方向 及时行动 在行动的工程中力求完 善 用山东地矿局韩在深总经济师的话来讲就是 经营决策快半拍 快半拍 抓住了机会赢得了市场 增加了经济发展后劲 咸阳浅层地热能得天独厚 地源热泵开发利用正在兴起 我们 要早谋划 早行动 在步伐上要 快半拍 才能赢得社会效益和经 济效益的双丰收 树立 敢破敢立 自强不息 团结奉献 实干争 先 的创业精神 使地源热泵早日在咸阳开花结果 2 2 有示范才有张力有示范才有张力 山东地矿局浅层地热能开发利用成功经验告诉我们 要着力增 强地源热泵开发利用的后劲 就应把 示范基地 的建设摆上 重 中之重 的战略地位 以自身为起点 以配套齐 档次高的示范基 地为突破口 打造示范效应结果 如山东地矿局第五地质勘查对以 自己的地矿大厦做为示范基地正在建设中 山东浅热能研究推广中 心在自个厂区建成一个 380 平米的示范基地 供人参观学习 带动 了济南园博园主展馆 园博园茶社 地质博物馆 环境保护厅等多 家单位采用了地源热泵系统工程 验证了 没有梧桐树 就引不来 金凤凰 的说法 2 3 有开拓才有后劲有开拓才有后劲 学浅热能开发利用经验 重点是学习他们的创业精神 学他们 的经营思路 学他们的工作作风 学他们的抓机遇的胆略 把进一 步解放思想 更新观念作为加快发展的首要前提 敢于冲破一切阻 15 碍发展的条条框框 多在主观上找差距 在困境中找出路 在挑战 中抓机遇 不能总是在强调客观上打转转 在争论中丧失机遇 只 为成功想办法 不为落后找理由 要坚定加快发展的信心和决心 开拓进取 卯足干劲 增强新形势下破解加快地源热泵应用发展的 能力和水平 向解放思想要出路 要速度 要突破 在解放思想中 闯新路 谋发展 求实效 3 拓宽了思路明确了目标 拓宽了思路明确了目标 山东地矿局浅层地热能开发利用的成功经验和做法可资借鉴 借鉴之一 挂牌经营地源热泵必备的资质条件 液体矿产勘 查资质 水工环调查资质 机电安装三级以上资质 地质钻 探资质 借鉴之二 地源热泵的推广应用最终取决下列重要环节 1 政府支持 因是节能减排项目 政府会出面强行执行 并在 推广中拿出一定比例进行补贴 山东每平米补贴 20 元 北京政府拿 出 4 个亿支持地源热泵的推广应用 2 建设示范基地 以规范的示范基地为突破口 巡求更大的发 展空间 起到引导发展 带头宣传效益 3 严把产品的质量关 为保证长期正常运行 建议购买进口的 地源热泵及地埋管材料 4 抢先成立地源热泵开发推广中心 以此为平台进行综合研发 包括水文地质勘察 适应性分析评价 地源热泵的布局 安装设计 地源热泵的施工等一条龙服务 借鉴三 以思想解放为先导 开创高效快速的发展局面 抢 先原则 比别人先行一步 执着精神 韧劲和 盯劲 系统工程 注重技术方面和施工方面的环节 细节 在学习考察中 我们深深地感到山东地矿局有很多东西我们学 不到 但有很多东西我们可以借鉴 如学习借鉴他们抢抓机遇的胆 16 识和敢为人先的魄力 解放思想要在经济发展观念上求突破 纵观 山东地矿局浅层地热能