【一】研究意義

 

  我國廣泛分布著中低溫地熱資源，非常有利于供熱、養(yǎng)殖、種植等直接利用。據(jù)國際地熱協(xié)會(IGA) 2000年統(tǒng)計，我國地熱直接利用量已37908TJ/a，居世界首位。我國的地熱直接利用中有很大一部分是用來供熱的，地熱供熱已在天津、北京、西安和黑龍江、河北等省市得到廣泛推廣，供熱面積已達1180萬平方米（2001年統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。特別是天津市，地熱供熱面積已達860萬平方米，占全國的74%。

 

  然而由于目前在一定程度上存在著粗放型開發(fā)現(xiàn)象，我國的地熱利用還存在如下問題：

 

  1.利用結構單一

 

  以地熱采暖為主要目的的地熱利用系統(tǒng)，不僅開發(fā)消耗的資源量很大，而且簡單的用熱之后，沒有進行很好的深度開發(fā)，就將大量的地熱水排放掉。使地熱資源的復合特征沒有充分的發(fā)揮，造成資源的較大浪費。

 

  2.利用技術、工藝及設備配套尚需進一步優(yōu)化

 

  目前在利用設備配套水平上，不能把地熱資源的能量充分利用和提取出來，從而使資源的利用率較低。歷史上遺留下來的老的地熱井系統(tǒng)中存在不經(jīng)濟、不合理、浪費大等問題。

 

  3.排放溫度高，造成資源浪費與新的環(huán)境問題

 

  在地熱采暖系統(tǒng)中，受常規(guī)的管網(wǎng)式供熱工藝和技術水平的限制，地熱水經(jīng)一級換熱后的溫度仍然很高，一般不低于40℃，不僅造成資源的嚴重浪費，又給環(huán)境帶來了熱污染。地熱作為一種清潔的新能源，市場的需求會愈來愈大。但不能只依靠增加地熱資源的開采總量來擴大利用規(guī)模和滿足市場需求，而是要依靠科技進步，提高利用水平。就目前利用的水平來說，還有很大的潛力可挖。從現(xiàn)狀看，排放溫度普遍在45-50℃,地熱水開采出來的溫度平均在85℃，平均利用溫差為40℃，如果采用新技術把溫度降到20℃左右，可提取更多的熱量以利用。

 

  利用技術的創(chuàng)新與發(fā)展，是解決粗放式開發(fā)的關鍵問題。地熱開發(fā)利用中存在的不科學、不合理、不經(jīng)濟，浪費大、污染重的諸多問題，只有依靠科技才能解決。要借助于市場的推動，政府的協(xié)調(diào)，資源意識的增強，公眾的參與，大力推進地熱利用中新技術、新工藝、新方法的應用，解決長期以來一直不好解決的諸如腐蝕問題、地熱棄水溫度高的問題、地熱資源的多種功能不能全部發(fā)揮的問題等。通過科技創(chuàng)新，把跨學科，跨領域的技術相互結合，取長補短，實現(xiàn)突破。

 

  【二】基本概念

 

  為了解決地熱尾水排放溫度高、資源利用率低與環(huán)境熱污染問題，開發(fā)了地熱資源梯級利用技術。地熱梯級利用就是多級次地從地熱水中提取熱能，多層次地利用地熱能。通常情況下，可以將地熱能要供暖的總負荷分成高溫供暖部分與低溫供暖部分，先按照高溫供暖設計方法提供一部分供暖負荷，然后按照低溫供暖設計方法提供其余的供暖負荷。高溫供暖部分一般可以采用管網(wǎng)方式，低溫供暖部分可以采用地板輻射采暖和風機盤管。

 

  地熱梯級利用工藝充分發(fā)揮了地板輻射采暖、地熱熱泵的優(yōu)勢。地板輻射式采暖與熱泵技術，可以大大降低地熱水的排放溫度，從而提高熱利用率，即地熱水首先通過板式換熱器換熱，供管網(wǎng)系統(tǒng)采暖，再二次換熱供地板輻射采暖系統(tǒng)（完全非金屬系統(tǒng)也可直供），地輻射采暖系統(tǒng)下來的地熱水再利用熱泵技術提熱或直接供熱，或采用調(diào)峰。在這三個溫降級次間，根據(jù)需要，拓寬生活洗浴、康樂理療、礦泉水、花卉種植等項目，以減少這些配套項目所需要的資金投入和土地、能源、淡水資源的消耗，使地熱水的多種功能得以發(fā)揮。在以供熱為主要用途的系統(tǒng)，必須采取回灌開發(fā)方式，使當時不能完全消化的尾水重新回到熱儲層，經(jīng)過地下的熱交換，可以再開發(fā)出來更多的熱能。所有這些都需要以科技為先導，創(chuàng)新為突破，解決系統(tǒng)功能實現(xiàn)的瓶頸問題，依靠科技進步提高地熱資源利用的集約化水平。

 

  【三】技術原理

 

  以往的地熱供熱設計是通過一級換熱進行的，即地熱水抽取后進入換熱器，提取熱量后排放。由于換熱器所能換取的熱量是有限的，使得這種供熱方式的熱能利用率不高，并造成嚴重的熱污染。

 

  為了解決這個問題，提出熱水雙循環(huán)系統(tǒng)梯級利用新技術。根據(jù)建筑物的規(guī)模、負荷、末端設備進行分類，分成若干組團，根據(jù)各組團的負荷，將系統(tǒng)總負荷劃分成幾個部分，并且要結合各組團設計參數(shù)和負荷量來確定各部分的系統(tǒng)參數(shù)，同時使各部分參數(shù)與負荷之間相互藕合，優(yōu)化配置，在滿足各部分負荷要求的同時，使整個系統(tǒng)總負荷能力得到增強。

 

  具體實施方法如下：

 

  (1)開采出來的地熱水，經(jīng)過換熱器，提取熱能供管網(wǎng)系統(tǒng)供熱，即為第一梯次。

 

  (2)第二梯次是將經(jīng)過一級換熱的地熱水進行再次換熱，提取能量供地板輻射采暖系統(tǒng)供熱。

 

  (3)由第二梯次系統(tǒng)排出的地熱水，進入熱泵機組進行溫度的提升后供小區(qū)新開發(fā)的采暖，或者熱泵機組將溫度提升后，將熱送回第二梯次熱網(wǎng)中，供熱負荷并入第二梯次熱網(wǎng)中，即為第三梯次。

 

  (4)熱泵機組排出的地熱水由另一眼地熱井回灌到地下。至此完成了一個循環(huán)過程。由此解決地熱資源利用中存在的諸多問題。

 

  該技術的目的是使地熱供暖從一級利用擴展到多級利用，從而充分發(fā)掘地熱資源的潛力，減少環(huán)境熱污染，提高能源利用率。

 

  【四】技術關鍵

 

  1.藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫技術

 

  地熱供暖、供水系統(tǒng)的控制核心是要做到節(jié)水、節(jié)電，并保證供暖和供水的良好效果。因此，地熱梯級利用系統(tǒng)中的一個核心問題是要將利用系統(tǒng)與地熱開采系統(tǒng)有機地聯(lián)系起來，做到利用多少開采多少。實現(xiàn)這一要求的關鍵是解決好系統(tǒng)的控制技術問題。

 

  地熱供熱中存在兩個循環(huán)系統(tǒng)。一個是用戶熱力子系統(tǒng)，負責室內(nèi)供熱，該系統(tǒng)的特點是水溫可調(diào)而流量不可調(diào)，即調(diào)質(zhì)不調(diào)量。另一個是地熱水子系統(tǒng)，負責熱水開采并向用戶熱力子系統(tǒng)提供熱能。由于地熱水溫度是相對恒溫的，總熱量的變化只能通過流量來控制，因此，該系統(tǒng)的特點是調(diào)量不調(diào)質(zhì)。兩個系統(tǒng)之間通過換熱設備連接并進行熱交換。地熱水開采量的變化決定了供熱總能量的變化，從而決定了用戶熱力子系統(tǒng)的變化，最終決定了室內(nèi)溫度的變化。利用這一特點，建立自動控制系統(tǒng)，將室內(nèi)溫度需求反饋到地熱水子系統(tǒng)中，對開采量進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。這個調(diào)節(jié)過程是由藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫系統(tǒng)來控制的。藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫技術的基本原理是：根據(jù)室外溫度的變化，調(diào)節(jié)室內(nèi)供熱負荷，再將室內(nèi)供熱負荷信號傳送到地熱水子系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)地熱水流量，實現(xiàn)對地熱水總熱量的調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)用戶熱力子系統(tǒng)的循環(huán)水溫度，最終實現(xiàn)對室內(nèi)供熱負荷的調(diào)節(jié)，保證室內(nèi)恒溫。圖1為藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫技術原理圖。

 

  2.各級參數(shù)的藕合匹配

 

  地熱梯級利用工藝的另一個關鍵是各級參數(shù)的藕合匹配。首先是用戶熱力子系統(tǒng)各級參數(shù)的匹配，用戶熱力系統(tǒng)一般分三級進行，各級的供熱溫度要根據(jù)供熱面積與負荷要求確定。確定各級供熱溫度后，就可以相應地確定地熱水系統(tǒng)的換熱溫度。地熱水系統(tǒng)一般采用兩級換熱一級提溫的方式，各級換熱溫度與提溫量由自控系統(tǒng)根據(jù)供熱參數(shù)確定。

 

  3.直供與間供方式的選擇

 

  在地熱用于供暖的開發(fā)利用過程中，由于各地水質(zhì)、溫度和采暖設施的不同，利用的形式也就各有不同。但總結起來其基本形式有兩種，一種是地熱水直接進入末端設備的供暖方式，叫直接供暖方式;另一種是通過換熱器將地熱水的熱量交換到另一種介質(zhì)中，通過此種介質(zhì)的循環(huán)，把熱量傳遞到各采暖用戶，叫間接供暖方式。

 

  對于地熱供暖系統(tǒng)采取直接供暖方式好還是間接供暖方式好，需要綜合考慮地熱水的水質(zhì)、水溫、末端設備選型、是否回灌以及資金狀況等許多因素。但影響選擇直接供暖和間接供暖的最主要的因素是地熱水的水質(zhì)和溫度。

 

  ①地熱水溫度因素

 

  間接供暖需要使用換熱器，使用換熱器必然有熱量的損失。對高溫資源來說，熱量損失相對于資源品位而言較小；而對低溫資源來說，由于本身溫度不高，熱量損失相對資源品位就比較大。并且，由于低溫地熱井的水溫較低，為盡量減少換熱溫差熱交換時需要的傳熱面積就比較大，換熱器的成本相應也要增加。盡管如此，具體應采用何種方式仍要以水質(zhì)的腐蝕特性而定。

 

  ②地熱水水質(zhì)因素

 

  利用地熱進行直接供暖存在腐蝕結垢問題。地熱水的水質(zhì)將會直接影響到整個供熱系統(tǒng)設備的腐蝕程度。采用間接供熱時，可以選用耐腐蝕性很強的欽板換熱器，避免地熱水和采暖系統(tǒng)管道的直接接觸，也就避免了系統(tǒng)的腐蝕結垢問題。因此，對于水質(zhì)差的地熱水應優(yōu)先選用間接供暖方式。

 

  【五】設備組成及其功能

 

  該工藝主要包括井口裝置、換熱器、熱泵、分水器、集水器、除污器、循環(huán)泵、補水泵、補水箱等。

 

  其功能如下：

 

  1.井口裝：將地熱井進行封閉，緩沖熱脹伸縮，安裝潛水電泵；

 

  2.除砂器：凈化與過濾地熱水中的砂粒與雜質(zhì)，避免堵塞及破壞系統(tǒng)設備；

 

  3.換熱器：進行熱交換；

 

  4.熱泵：提升及交換熱能；

 

  5.分水器：進行供水分流；

 

  6.集水器：進行回水匯集；

 

  7.除污器：清除水中的雜物；

 

  8.循環(huán)泵：提供動力，推動水循環(huán)；

 

  9.補水泵：補充二次網(wǎng)的水量消耗；

 

  10.補水箱：貯存水以供補水泵使用。