地热能开发利用技术

5．1．1　地热能开发利用技术

地热能是指地下土壤、地下水中所蕴藏的热能。地热能是一种分布广泛、蕴藏丰富的自然能，是一种有待开发的自然资源。地热资源按温度划分有低温地热、中温地热和高温地热。通常把低于90℃的划为低温地热，90～150℃为中温地热，150℃以上为高温地热。我国西南地区，由于印度板块与欧亚板块的碰撞，形成藏南和滇西边沿活动地带，蕴藏着高温地热；我国东南地区，由于欧亚板块与菲律宾海板块的碰撞，形成台湾岛中央山脉两侧也蕴藏着高温地热；在东南沿海，如从化、漳州、福州等靠近板块边缘区的地区也存在中、高温地热；我国其他区域低温地热比较普遍。就地热的开发利用来说，中、高温地热可以用于发电站；低温地热可以普遍用于采暖、空调。天津是我国城市中利用地热区域集中采暖最早、规模最大的地区。根据天津市地热管理部门2002年2月发布的统计资料显示，天津市地热供暖面积已达860万m²，约占全市集中供热面积的；近年来，打地热井200多眼，年采水量超过2　000万m³。

1）地热采暖系统分类

（1）直接采暖系统

地热直接采暖系统是把地下热水开发出来以后，直接送入采暖用户的终端散热取暖设备，其示意图如图5．1所示。

图5．1　地热直接采暖系统示意图

该系统由深井泵、中间加压泵、温控阀、排放阀和采暖用户的终端取暖设备组成。其主要特点是：系统简单，初投资少，热量可以充分利用。对地热水的要求是：水质要好，腐蚀性小。如果水质较差，则对设备管道腐蚀较大，而且易于结垢，给维修带来负担，因此，要特别加强防腐措施。

井口、管道、阀门、水泵、取暖设备都要密封，隔离空气，即隔绝氧气的溶入。这是因为在深层地热水中含有硫化氢H₂ S，如果系统中溶入了氧气，氧和硫化氢共存，在热力学上是不稳定的，将游离出氯离子，氯离子对管道设备具有较大的腐蚀性。为了防止管道设备受到腐蚀还可采取加药措施。如在地下热水中加入亚硫酸钠Na₂ SO₃用以除氧，但要维持14 ppm亚硫酸钠的过量值才能具有良好的除氧效果。另一种方法是加磷酸盐类制品，在管道设备内壁形成保护膜。

在地下水中还会出现气团，它会使管道压力下降、影响传热，因此，在系统设计中要安排排气装置。由于气团中可能夹杂有可燃气体，因此排气时要谨慎操作，防止造成火灾。

要选用抗腐蚀能力强的管材、阀门和取暖设备，要对漏气、漏水、倒灌、密封等问题加强检查，及时处理。

（2）间接采暖系统

如果开发的地下热水水质不好，腐蚀性大，可以采用间接采暖系统。地热间接采暖系统是目前世界各国普遍采用的取暖方式。它采取“地下热水”和“取暖热水”分管方式，采用换热器交换热能，其结构如图5．2所示。

图5．2　地热间接采暖系统示意图

该系统由地热井、回灌井、深井泵、换热器、循环泵、采暖用户的终端取暖设备以及调峰锅炉等组成，有的还可以供应热水。换热器是系统中的重要设备，要选择换热效率高的产品，以减少热损失。调峰锅炉用以在室外气温较低时，解决调峰负载问题。这是因为如果采暖系统的设计热负载均由地热负担，那么只有在采暖高峰期设计工况下，地热才能得以满负荷运行，而在绝大部分的非采暖高峰期，地热供暖能力得不到充分发挥和利用。因此把采暖的设计热负荷分为两部分：一部分为基本热负荷，由地热负担；另一部分为高峰热负荷，不足部分由调峰供热设备负担。这样，地热井在整个采暖期中，利用率可以有较大的提高。由此可见，地热供暖与调峰锅炉相结合是一种优选方案。

2）地源热泵空调系统

地球表面的空气温度是随季节而变化的；与此相比，土壤或地下水在一定深度以下，全年的温度则变化不大，基本上是恒定的。在冬季，其高于地球表面空气温度，可以作为热源；在夏季，其低于地球表面空气温度，可以作为冷源，应用于制冷空调技术。

地源热泵空调系统可以工作在制冷工况和供热工况。它的原理与普通的热泵系统基本一样。如果说普通热泵系统是把地球表面空气或建筑内部水环作为取热/放热的对象，那么它就是把土壤、地下水或地表水作为取热/放热的对象。利用热泵原理，通过少量的高位电能输入，就能实现低位热能向高位热能转移，通常给热泵系统输入1kW电能，用户就可得到3kW以上的热量或冷量。因此，地源热泵是一种节能环保型的空调技术。

举例说，我国南方某城市年平均气温为21．8℃，极端最低气温0℃，极端最高气温38．7℃。据钻探测试，在地下10m深处，全年土壤温度基本稳定在22℃左右，温度变化不超过±0．5℃。这说明地源热泵在我国南方如长江、珠江流域等夏热冬冷地区解决冬季高效供暖、夏季空调降温是具有广泛应用前景的，其节能效益是显而易见的。

地源热泵空调系统的基本结构，如图5．3所示。

图5．3　地源热泵空调系统结构

地源热泵空调系统由以下设施和部件组成：地热井、回灌井、循环泵、冷凝器、换向阀、压缩机、节流器、蒸发器和房间换热器。

地源热泵根据其利用地下热能的传热方式不同，可分为大地直接换热式、大地耦合式、地下水源式、地表水源式等多种形式。

地源热泵不仅可用于供热、制冷，还可提供生活热水，可以代替原来的锅炉和冷水机组。

3）地热的综合利用

地热是热、水、矿三位一体的资源，有可能时应尽力做到三位一体的综合利用。地热的利用要考虑水量、水质和温度三个因素。地热能是储存在地下水之中，水量甚小的地热井用途不大；温度和水量达标后，还要看水质是否符合利用项目的要求，许多项目常常就是水质中某一成分指标不符合要求而被否决，如有的地下热水水质很差、腐蚀性很强，就是不能利用的，勉强用来获得一些热量将导致得不偿失。

图5．4　1995～1999年全世界低温地热各项目供热量的百分比

地热资源的利用是广泛的。“世界地热会议”公布的1995～1999年全世界各种低温地热项目供热量百分比如图5．4所示。其中采暖占36．85%，是第一大用途，如果再加上属于采暖类的热泵和温室类总共将占62．93%，因此，采暖在低温地热利用中占有绝对主导地位。此外，地热还可用于洗浴，其所占比例也有22．15%；还可用于工农业、养殖业等。我国是缺水国家，开发地热要珍惜地热水，对于温度较高的地热水要注意开发其从高温到低温的梯级综合利用，同时也要注意及时回灌。要做到利用好自然资源，同时也要保护好自然资源。