文档介绍：12 水文地质工程地质技术方法动态
浅层地热能*
Burkhard Sanner
(Justus-Liebig University, Giessen, Germany)
翻译:赵玉军;校对:苑惠明
【摘要】地表下约100米的区域最适于提供和蓄集地热能量。地表下10-20米区域内的土壤温度一年四季几乎保持稳定(见图1),基于地热梯度(平均3℃/100米),土壤温度随深度增加而升高。浅层地热能开发利用的主要方法如下:(1) 地源热泵(也称为地热泵);(2) 地热蓄能(UTES)。本文对浅层地热资源的开发利用、合理应用以及一些成功的地源热泵利用实例进行了回顾。
图1 从Wetzlar南部一个钻孔测量的地下土壤温度(未受地源热泵的影响)
地源热泵
地源热泵的基本原理见图2。从地面采集温度相对较低的热量,随后通过地源热泵把热量从低温转换至高温,应用于供热系统。地源热泵系统在全年的使用过程中, - 之间,也就是说,地源热泵每输出1KWh的热量,-。在夏季,利用地源热泵系统能够把室内的热量转移至地下,进行更有效的空间制冷。通过地面系统能够把热泵与地下能源“连接”起来,这样,利用地源热泵系统能够从地下采集热量或者向地下释放热量。地面系统一般分为露天系统和封闭系统:
(1)露天系统——地下水常被用作热量载体,能够把热量直接传递给热泵;
(2)封闭系统——在地下安装埋地换热器(可分为水平式、垂直式或倾斜式)。埋地换热器中的热量载体介质是往返循环的,能够从地面向热泵传递热量(或者从热泵向地面传递热量)。
地面系统并不仅局限于上述范畴,例如,利用垂直竖井、矿井或隧道水的系统均不属于露天系统或者封闭系统。
为了选择适当的地源热泵系统(进行特定安装),应考虑多种因素:地下的地质和水文地质条件(足够大的渗透性是露天系统必需的);地表允许的安装面积(水平式封闭系统需要一定的安装面积);潜在热源的存在,例如矿山废热,以及建筑物的供热和制冷性能。在地源热泵系统的设计阶段,为了实现用最低成本获得最佳的性能,详细收集有关热泵技术主要参数的数据是必需的。
露天系统
露天系统的主要技术部分是地下水井(从地下含水层抽取地下水或者向地下含水层注入地下水)。在多数情况下,露天系统由两个水井组成(见图3)。其中,一个水井用于抽取地下水(给水井),另一个水井用于向同一个含水层注入所抽取的地下水(回水井)。
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对露天系统而言,开采地热能所需的费用较低。另一方面,需要定期对地下水井进行维护。通常,露天系统被限制应用于拥有适当含水层的场地。适当的含水层必需具备的条件如下:
(1)良好的渗透性,开采大量地下水(达到所需的水量)后水位下降不明显;
(2)良好的地下水化学性质(例如:地下水的铁含量应较低;能够避免水垢、阻塞和腐蚀问题)。
图2 地源热泵示意图(原理图)
图3 地下水热泵示意图图4 水平埋地换热器(欧洲式样)
露天系统一般使用规模较大的设备。世界上功率最大的地源热泵系统(利用地下水井),能为美国肯塔基州路易斯维尔市的宾馆办公/综合写字楼提供约10MW的热能和冷能。
封闭系统
水平式
最容易安装的封闭系统是水平埋地换热器(也称为地热采集器或水平环路)。在中欧和西欧的一些