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深层地热和浅层地热

来源:福建热能 发布时间:2016-11-16 点击数:448

      地热能作为一种清洁、可再生、无污染的能源,在我国已经越来越广泛受到青睐。本文将通过实例讲述深层地热和浅层地热综合开发利用,以最大程度发挥各自优势,达到更好节约能源目的,节省系统运行费用。随着人民生活水平的不断提高,工业、农业、交通业等各项事业的迅猛发展,整个世界对能源的需求量都在日益增长;另一方面,一直作为主要能源的石油、煤炭、天燃气等矿物燃料的储量随着大量开采和使用日趋减少,整个世界能量的供求关系已出现紧张状态,在某些国家能源紧张已成为制约经济发展的首要因素,研究和解决能源问题已迫在眉睫。为此,地源热泵作为一种环保、清洁、可循环利用的资源受到了社会的青睐,地源热泵可分为深层地热资源和浅层地热资源,过去这两种资源往往被单独利用,近年才开始探索对这两种资源实行综合利用,本文将通过实例阐述如何实现这两种资源的综合利用,达到更好的节能效果、更加节省系统运行费用。


       一、工程概述


       1、建筑面积:某工程原有建筑面积为1.0万㎡,新建建筑面积为1.8万㎡,总建筑面积为2.8万㎡。


       2、室外地下水井情况:工程现有4000m深地热井2眼,150m深水源井4眼(1抽3灌)。地热井出水温度为60℃,出水量为80m³/h。水源井出水量为80 m³/h。


       3、建筑物负荷情况建筑物总冷负荷:4500kw,建筑物总热负荷: 3800kw;游泳池负荷(水温维持负荷): 375kw;生活热水负荷:109kw。


       二、系统概述


       1、深层地热资源—地热井


      (1)我们通常所讲的地热能其实是指深层地热能,它主要赋存于中、新生代沉积盆地中的地下热水中,其载体是水,属于一种综合性矿产资源。目前地热井深度一般在1000m—4000m之间。


      (2)深层地热资源可以用于供暖、医疗保健、洗浴、农业、水产养殖等领域,且越来越受到欢迎。


      (3)近年来地热资源受到世界各国的重视,地热不仅清洁,而且能反复利用,属于可再生资源。


      (4)深层地下水有其自身的循环系统,一部分热水被抽上来之后,会从远方不断地得到补给,从这个意义上说,地热资源是取之不尽、用之不竭的。


      (5)在利用好地热水的同时,必须进行回灌,用过的热水经处理后,重新注回到含水层中,可提高再生的性能,这样才可使含水层不枯竭。


      (6)地热应进行“梯级”利用,这样可对地热资源“物尽其用”。

 
     2、浅层地热资源——地源热泵

 
    (1)浅层地热能主要是利用地表以下200m范围内岩土体和地下水中的热能,其核心技术是地源热泵技术。


      (2)地源热泵是一种利用浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。


      (3)地源热泵是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的供暖制冷空调系统,地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。


      (4)地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,即在冬季,把地能中的热量取出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量,用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。

 
    (5)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。


    3、系统设计


      (1)系统配置目的:根据工程现状,拟采用深层地热与浅层地热综合开发利用进行供暖和制冷。以最优的设计方案,达到最佳的能源使用效果且使系统的运行费用降低。

 
      (2)夏季系统运行方案


       A.水源热泵机组制冷量:2322.5×2=4645kw﹥4500kw可满足建筑物制冷需求。水源热泵机组热回收量为338.6×2=677.2kw,泳池和生活热水总负荷375+109=484kw,677.2kw﹥484kw即夏季利用水源热泵机组制冷时回收的冷凝热提供泳池加热和生活热水加热所需热量。


       B.水源井计算:水源热泵冷却水(井水)进出水温按15/30℃,则每口水源井夏季制冷时的排热量为80×(30-15)×1.163=1396kw,夏季制冷系统总排热量为(2322.5+366.0)×2=5377kw。故需要水源井5377/1396=4眼抽水井,为了保证100%回灌根据此工程区域水文地质情况,采用1:2抽灌比例回灌,故需要回灌井为8眼,本工程需要配置4眼抽水井,8眼回灌井才能满足系统要求。因本工程原有4眼水源井,故还需要钻凿8眼水源井。


      (3)冬季系统运行方案


      A.水源热泵机组制热量:2454.9×2=4909.85kw,冬季总的热负荷为3800+375+109=4284kw,4909.85﹥4284kw即冬季水源热泵机组可满足制热需求。但此工程原有地热井2眼,为了更好地利用地热资源,使系统更加经济,所以优先选择地热井供热,采用合理的方案保证系统效果。


      B.地热井出水量为80m³/h,出水温度60℃。首先利用地热水加热生活热水,地热水通过第一级板式换热器由原温度60℃降至58.5℃,此过程换热量为:80×(60-58.5)×1.163=139.56kw﹥109kw可满足生活热水负荷需求。


      C.58.5℃的地热水经第二级板式换热器换热后供采暖,温度降至45℃(采暖供回水温度为45/40℃),此过程换热量为:80×(58.5-45)×1.163=1256.04kw﹤3800kw,建筑物采暖负荷仍需3800-1256.04=2543.96kw,此部分负荷需要通过水源热泵机组和地热水联合运用供热满足要求,以保证系统需求。


      D.45℃的地热水继续经第三级板式换热器换热加热泳池热水,温度降至40℃,此过程换热量为:80×(45-40)×1.163=465.2kw﹥375kw,可满足泳池负荷需求。

E.40℃的地热尾水经第四级板式换热器换热后温度降至12℃,此过程通过利用水源热泵机组提升制热温度达到供暖所需温度45℃,此过程换热量为:80×(40-12)×1.163=2605.12kw﹥2543.96kw,故可满足剩余建筑物采暖需求。


      F.由上面可见冬季采暖在水源热泵机组和地热水综合利用下使地热井地热水利用率大大提高,供热量大大提升,最终地热尾水12℃回灌,采用水源热泵机组与地热井的综合利用,冬季1台水源热泵机组制热量2454.9+509.0=2963.9kw﹥2543.96kw故冬季只需开启1台机组与地热井综合利用即可满足系统要求,这将大大节省系统的运行费用。


      G.每年冬季运行时节省运行费用:节省1台水源热泵机组运行,运行输入功率509.0kw;节省4台水源井潜水泵运行,每台运行输入功率37kw;消耗1台地热井地热潜水泵,运行输入功率75kw。节省运行输入功率509.0+37×4-75=582kw。冬季可节省费用为712512元。


      H.冬季系统运行时,地热水流经各级板式换热器,梯级利用最后以12℃回灌。

 

     (5)过渡季系统运行方案


      A.过渡季建筑物制冷是由水源井冷水15℃经板式换热器后提供的,因过渡季制冷负荷不大,水源井冷水提供的负荷能够满足制冷需求。


      B.过渡季生活热水和泳池用热水负荷通过地热井热水经板式换热器提供,能够满足系统符合要求。


      C.过渡季不用开启水源热泵机组,大大节省了系统开启水源热泵机组运行费用。


      D.过渡季采用水源热泵系统和地热井系统综合利用与仅采用水源热泵系统相比节省运行费用291456元,过渡季节省费用。

 
       三、深、浅层地热综合利用效果。通过采用深层地热能(地热水)、水源热泵机组及水源热泵热回收(夏季)的综合开发利用,实现了资源的整合利用,主要有以下特点:


       1、地热水梯级利用:冬季60℃地热水经过第一级板式换热器为生活热水提供热量,地热水经第一级板式换热器后,进入第二级板式换热器为建筑物提供部分采暖用热量,地热水经第二级板式换热器后进入第三级板式换热器为泳池提供热量,后经第四级板式换热器由水源热泵机组提取热量为建筑物提供剩余用热量,最后地热水温12℃回灌。从而实现了地热水的梯级利用,充分利用了地热水的地热资源。

 
       2、过渡季冷水井直接制冷:在春秋季节,有时为建筑物制冷,由于过度季节的建筑物冷负荷不大,且水源井冷水温度在15℃左右,因此过渡季节需要制冷时则直接利用冷水井冷水通过板式换热器为建筑物供冷。


       3、节能、节运行费用:

      
       (1)冬季60℃地热水经板式换热器提供生活热水负荷后产生的地热尾水温度变为58.5℃,地热水温度仍然很高,利用该尾水直接提供建筑物用部分负荷,温度由58.5℃下降到45℃。利用45℃地热水经板式换热器提供泳池用负荷,地热尾水达到40℃。40℃地热水经水源热泵机组提取热量,尽可能拉大温差,最大程度提取热量,地热水最后以12℃回灌(最低回灌温度不应小于10℃),满足建筑物用热负荷。这样梯级利用大大提高了地热水的利用效率,达到了节能的效果。


       (2)冬季由于利用地热水,减少了开启水源热泵机组台数和水源井侧潜水泵,仅开启地热井侧潜水泵和1台水源热泵机组,每年冬季可节省运行费用为712512元。

 
       (3)夏季由于利用了水源热泵机组回收的热量为建筑物提供生活热水和泳池负荷,节省了开启地热水井侧的水泵,节省了地热井侧的水泵运行费用。


       (4)过渡季节需要制冷时直接采用水源井冷水循环制冷,节省了开启水源热泵机组及水源井潜水泵的运行费用,可节省费用为291456元。


       (5)由于水源热泵系统本身的节能特性,也使得深、浅层地热能联合应用达到了节能的效果。


       4、系统社会经济效益良好


       (1)随着社会的发展,资源短缺的状况日益严重,地热资源作为清洁的环保能源,其地位日趋明显,在不远的将来必将云越来越多地受到社会的认知,具有广阔的发展前景。


       (2)系统单纯地依靠深层地热资源仅能用于冬季供暖,夏季则无用;如果单纯依靠浅层地热资源,虽可以实现夏季和冬季的综合利用,但相同建筑面积系统初期投资较大,且运行费用较高。而深层和浅层地热能源的综合利用,则规避了以上的缺点,达到了事半功倍的效果,同时管理维护比较方便,运行费用较低。

 

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