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国内外浅层地热能开发利用现状及对江西的启示

摘要:本文在简要介绍地源热泵技术的基础上,对国内外浅层地热资源的开发利用现状进行了述评,并对江西省的地热背景与浅层地热能开发的条件和前景进行了讨论。
1 引言
地热能是地球内部贮存的热能。目前,普遍认为,地球本身放射性元素衰变所释放的能量是地球内热的主要来源。所谓浅层地热能(Shallow geothermal energy)指的是地表以下一定深度(一般为0-200 m,国外也有人认为是0-400m)范围内,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源的一部份,蕴藏于土壤和地下水中,采用热泵技术进行采集利用后,既可供暖,又能制冷,而且环境效益良好。因此,近年来,得到了世界各国的高度重视,其开发利用增长迅速,已成为节能减排大军中一股不可忽视的力量。
2 浅层地热能开发利用的地源热泵技术
热泵(Heat pump)技术是一种能将热能从低温热源转换为高温热源,也能将高温热源转换为低温热源的技术〔1〕。如我们现在用得很普遍的普通空调器,采用的是一种空气源的热泵技术,天冷时它能把室外空气中的热量转到室内,天热时则能把室内空气中的热量转到室外,从而达到调节室内空气的目的。由于户外空气温度很低时才需要采暖,因而常需要备用电阻加热才能达到采暖效果;室内需要制冷时户外气温也往往很高,这样设备就不得不低效率运行。可见,空气源热泵的工作效率受户外气温变化的影响很大。
地源热泵(Ground source heat pump),又称地热热泵(geothermal heat pump),是一种先进的技术,它利用地下土壤、地表水、地下水温度相对稳定的特性,通过消耗电能,在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方,在夏天将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。
地源热泵系统包括三种不同的系统〔2-4〕:利用土壤作为冷热源的土壤源热泵,即地下耦合热泵系统(图1中的1-3);利用地下水为冷热源的地下水源热泵系统(图1中的4-6);利用地表水为冷热源的地表水源热泵系统(图1中的7-8)。
上述三种地源热泵系统的工作原理相似,在热泵封闭系统中运转的低沸点流体采暖时从地下吸取热量而汽化。之后,蒸汽被压缩并在另一个地方(如建筑物内)将热释放出来而重新凝结成液体;制冷时则进行相反的过程。
地源热泵与空气源热泵相比有以下优点:一是运行过程中耗能较少;二是因土壤、地下水温度一年四季变化不大,其中蕴藏的能量比空气中的能量更稳定;三是不需要人工的冷热源;四是装置埋于地下,免于日晒雨淋等。不足之处是初始安装费用较空气源热泵高30-50%,原因是将热交换器埋于地下、水下或钻凿水井作为冷热源之用需要额外投资。不过,一旦安装完毕,因其采暖和制冷效率高,其年运行费用低于空气源热泵,最终经济效益相当明显。况且,地源热泵用途不仅限于房屋空调,如它还可将低温水提升到较高温度以接入现有的供暖系统,也可供应生活用水;并且,数个热泵串联起来,能产生阶梯式的增温效果。
图1 不同类型的地源热泵系统
3 国内外浅层地热能开发利用现状
国外应用现状
浅层地热能的开发利用得益于地源热泵技术。地源热泵的历史可以追朔到1912 年,瑞士Zoelly首次提出利用浅层地热能(地源能)作为热泵系统低温热源