浅部地热能在供暖供冷系统上的应用 - 浅部地热能源在供暖以及制冷系统

浅部地热能在供暖供冷系统上的应用 - 浅部地热能源在供暖以及制冷系统 德国图宾根大学教授Klaus-Dieter Balke 博士 klaus-dieter.balke＠uni-tuebingen.de 1 浅部地热能是一种可重复再生的、可无限量使用的、可无间断获得的、可持续利用的、 清洁环保的和经济实惠的能源，在欧洲以及北美地区已经成功地应用了数十年。可以从地下 大约200米的深度内获得能源。浅部地热能的利用是一项满足供暖以及供冷所需能源的重要 措施。 浅部地热能是指地以下的所有物质，比如地下水、松散堆积、坚硬岩石和岩浆岩体 等物质所含有的热量，以它们所具有的温度来显示。一般来说，地表以下十到二十米范围内 的地热温度受地面以上大气温度的影响，此影响程度大小取决于当地年度气温的变化范围。 在这个深度范围以下的地热温度，每深一米将会大约增加0.03摄氏度。 地表以下的浅部地热能源，深度大约为二百米以内，可以利用于供暖以及供冷所需要 的能源。实践中，可以通过地下水开采井、地热探针以及能源桩等技术途径获得浅部地热能 源。这些技术也可以与太阳能技术相互结合使用。在供暖的实际应用中，此系统内必须包括 热泵，用以将由地下水或者在地热探针内循环的热交换流体带来的温度提高到一定的水平， 以满足那些能量需求较低的建筑物的供暖。 2 一台热泵，与冰箱的相反，是一种从相对温度较低的热源中获取热量，在一些附加能 源的帮助下，比如说一台压缩机，释放出较高温度的可利用的热量的机器。 高压部分低压部分压缩机 发动机 热源热量利用SourceHeatof heatusing 液化蒸发 EvaporationLiquefaction 减压阀 Expansion valve 图1：热泵图，Sanner 2004 由电力作为驱动能源的热泵的效率，由两个参数来表示，性能系数（COP）以及季节性能因数（SPF）。 性能系数（COP）表示热泵的功效，这是一个对于特定工作条件下（温度比值），可用 于供暖的热量与压缩机接受和消耗的电能的现值比。目前，热泵的COP值在5.0和5.5之间变化。 季节性能因素（SPF）是表示整个热泵系统的功效（整个热泵系统包括由电力作为驱动 能源的压缩机和用于输送在地下和热泵之间的热交换流体的循环泵），这是整个热泵系统年 度产出可用于供暖的热量与此系统年度所需消耗的电能的比值。 目前，浅部地热供暖系统的SPF值在4.0与4.5之间变化。当SPF值为4时，表示：为了获得4千瓦/小时的热量只需要消耗1千瓦/小时的常规电能。换句话说，75%的热量可以从地下获得，而25%的热量从常规电能获得！ 要取得较高的SPF值，可以通过降低供暖系统的温度来获得，因为那样的话提高热源 温度的压缩机所需要的能量较少。 图2：季节性能因素与温度变化关系图，德国Neubrandenburg 地热，2004 地下浅部的温度特别受到场地海拔高度的影响，同时在人口密集的地区有所增加。 图3：德国科隆城市地下的浅部温度场分布图，颜色深度表示区域建筑物的密度，数字 表示温度(?C)，Balke 1974 与燃烧天然气、石油或电力驱动的供暖系统比较，热泵需要的常规电能要少75%，同 3 时二氧化碳的排放减少20%至25%。 31 在浅部含水层具有较高或中等的导水性能的地区，地下水可以被用于供暖和供冷系统 的能量来源。必须建立两个或多个地下水井。 图4：双井系统，Stiebel Eltron 公司 2005 图5：用双井法获取热量的流程图，Balke 和 Zhu 2004 对于建筑的供暖，地下水通过开采井从含水层中抽出然后流入热泵，在那里，一部分 的能量转换给供热系统。一般情况下，为了获得1千瓦的热量，地下水的开采必须达到0?25立方米/小时的流量。在循环过程中通过热泵被冷却的地下水由注水井重新回到含水层。 结果，注水井周围的地下温度下降。 图6至图8：注水井周围的温度场分布，Balke 1980 在注水井周围形成了由温度场分布显示出的地热负异常。在冬天由于注入从热泵出来 的冷水而造成地热负异常增加。该地热负异常立即造成各方面的地热重建，不包括最寒冷时 期（在德国是2月至3月）的地面温度影响。然后，由于注入冷水的减少，以及不断增加的 来自地面温度的影响造成的地热重建，地热负异常将减少。但是，含水层一定程度的降温将 保留并持续到下一个夏季。图6至图8表示的是德国西部的单户人家的住宅应用浅部地热后 形成的地热负异常情况。 地热负异常的范围和程度由下列因素控制：来自热泵的冷水的数量，冷水的温度，注 水的方式，含水层性质，岩石和地下水的热传导性能，地下水水流速度，大气温度及其变化， 大气降雨量，以及含水层以上的地表状况。 图9：供冷能量的获取流程图，Balke & Zhu 2004 为了获得冷水用于夏季建筑的供冷，地热井的功能必须改变：将上述的注水井改为开 采井，原注水井周围的较冷的地下水，被从现在的开采井抽出，泵入建筑物的供冷系统，不 需要用热泵。建筑内原用于冬季供暖系统的管道可以用于夏季冷水的循环。经过制冷过程以 后，增温的地下水通过以前的开采井，即现在的注水井重新注入含水层，从而导致该地热井 的周围最后形成一个增温带，可以被用作下一个冬季的供热热源。这样一种供暖和供冷的双 功能应用极大地增加了该系统的效率。 这些地热井，多数情况下深度10到50米，可以建凿在同一个含水层内或者上下两个含水层中。注水井必须经过专门设计，装备有埋设于地下水水面以下的注水管道，以避免化 学沉淀或者管道腐蚀。如果建凿于相同含水层，两个地热井之间的距离必须经过精确的计算， 以避免水利和热力的短路。地热井周围降温的和增温的区域顺着地下水水流的方向分布，并 且与地下水水流速度相关。如果地热井建凿在上下两个含水层中，那么两个含水层的地下水 化学特征必须类似，否则可能会发生地下水中物质的沉淀或溶解。 两种情况下，在从开采井通过热泵到注水井的过程中，地下水都不能与大气或其它气 体接触。 ：如果含水层具有较强的导水性能，那么地下水是一种有效和经济的热能利用的 来源，不仅是对单户人家的住宅，而且能满足较大的能量需求。 ： 在德国Wulfen镇，一个由七十一幢楼房、含有117个单元和一个公共室内游泳池组成的住宅区，是由与两个开采井和三个注水井相连的地下水热泵系统进行供暖的。地下水开采 时的温度是10?C，重新注入地下时的温度是5?C。这个工厂已经有效地运行了三十年。 3.2 地热探针由高密度聚乙烯（HDPE）制成的U形管或者两个U形管组成，作为热交换管，安装在建于松散的或固结的、含水的或干的岩层里的垂直或倾斜的钻孔内。作为供暖时， 地热探针与热泵相连接。 图10：地热探针的功能示意图（德国Baden-Wuerttemberg州环境和交通部 2005） 地热探针（比如双U形探针）的热交换管内必须有比如水、水与乙二醇的混合液、或 者氨水作为热交换剂进行循环，由一个小的循环泵驱动循环。热交换剂在热交换管内上下流 动过程中，地下周围和交换液之间发生热交换。为了获得一个有效的能源传递，同时避免钻 孔内发生地下水的垂向循环，钻孔内热交换管周围的空间必须被完全填满。一般情况下，用 蒙拖石和水泥的混合物作为填充固定剂。通过这种方式，每米长度的地热探针可以获得二十 至一百瓦的热能（多数情况下五十至八十瓦），这取决于周围岩石的温度、岩石的热传导性 能，以及是否存在地下水和地下水的流速等。回到地面后，已增温的交换剂被导入热泵，交 换剂的温度将降低5至10摄氏度，而供暖系统（低能量地面供热）的水温将增加到35至 40摄氏度。大约75%的热量来源于地下，另外25%则从常规电能中获得，用于循环泵和压 缩机以及减压阀的耗电，降低温度后的交换剂被重新泵入地下同一个地热探针内，重新进行 增温。这样，冬季时地热探针周围的地下区域被降温，也就是说形成了一个地热负异常区。 四周所有的热能连续不断地流向这个异常区。在下一个夏季内，地热探针周围的低温区使循 环剂的温度降低，可以用于建筑物的供冷，在此情况下不需要热泵，而只需要循环泵。将地 热探针周围的地下区域作为“热电池”，对建筑物进行供暖和供冷联合进行，可以极大地增 加该系统的效率。 图11：地下“热电池效应”（Katzenbach et al.2002） 在交换剂被泵入地热探针以前，额外的热能和冷能可以分别通过在地面上的具有一定长 度的交换管输入地下。夏天的热空气和冬天的冷空气可以对交换剂进行一定的加热或冷却， 从而增强“热电池效应”。 在德国，地热探针的长度大多数情况下介于50米至100米之间，只有少数情况长度会达到200米。对于单户人家的住宅来说，多数情况下，一个或两个地热探针就可以满足需求。 对于较大的建筑（工厂，生产车间，办公大楼，饭店，住宅公寓楼等）则需要安装数个地热 探针。 图12、13：地热探针的安装实例（Zent-Frenger 2006） 对于将应用浅部地热的大型项目，为了获得所需要的地热探针的最佳个数和深度值， 建议在现场进行所谓的“地热反应试验”。所测得的数据可以用于数值模拟。 在德国，一个地热探针运行型的供暖系统的投资成本要比常规的燃油的、燃天然气的、 或用电力驱动的供暖系统的投资成本要高20%至30%。但是它的运行费用要低得很多。 根据2004年的核算，地热供暖系统必须经过4到6年的运行后，其投资成本加上运行 费用才会比其它常规的供暖系统便宜。但考虑到能源价格的显著增加，在不远的将来，基于 浅部地热的供暖系统只要运行1至2年后就会比常规的供暖系统便宜。如果将供冷包括在内， 那从一开始就将更加经济！ ：地热探针的利用在任何地层条件下都可以进行，非常有效，尤其是将供暖和制 冷结合进行时，则特别经济。 ： 图14：德国Oetisheim 的Varioplast 公司 (据Systerma 公司2005) Varioplast 公司从2002年起使用深度为130米的十五个地热探针用于浇铸模型机的设 冷却水的需求。冬季时利用地热探针，用热泵辅助，对生产车间和办公备排热。经过3年以后，交换剂的温度从原来的8摄氏度上升到20摄氏度。后者温度同样室进行供暖。不需要其它的热量，而结果非常另人满意。 可以满足设备排热 33 对于大型的建筑，还可以用能量桩进行供暖和制冷。这些能量桩是建筑物的基础部件 （桩基、墙基、板基），与地下物质相接触，埋设有热交换管。 图15：能源桩结构示意图（Sanner 2001） 桩基可以现场浇筑。在混凝土浇筑前，在基础桩体内配置有热交换管道。 图16-19：能源桩的现场浇筑（Zent-Frenger 2006） 同样可以使用安装有热交换管的冲击桩，以及事先预制的混凝土桩。 图20：预制混凝土桩（Zent-Frenger 2006） 用于循环热交换剂的内部管道系统，与上述地热探针内的相似。对于那些出于稳定坚 固的目的而必须建造基础部件的建筑物而言，地下热交换系统不需要凿建额外的钻孔。因此 能源桩的利用特别经济实惠。设计在建筑物以下的基础部件同样可以用于加强建筑物建造时 所需要的工程开挖的稳定性。 图21-22：能源桩的安装实例（Zent-Frenger 2006） 此外，能源桩可以与其它地面以上的建筑单元相结合，比如建筑物的地面和墙体，它 们同样可以配置热交换管道。另外与通风系统的结合，使建筑物的空气状况控制或多或少达 到能源自给。对于大型的建筑和生产车间需要特别的设计以获得最佳。 在德国，能源桩早在80年代就开始利用，比如工厂、体育馆、展览大厅、办公楼、学 校、宾馆、博物馆和住宅楼等。 ：能源桩的安装和使用对于较高能量需求的建筑物来说特别的有效和经济。 ： 德国图宾根的Kreissparkasse Tuebingen银行，其主楼是用深度18-22米的150个能源桩进行供暖和供冷的。地下地层由卵石和砂石组成，地下水水流经过，温度为11．5摄氏度，地下水流速400米/年。这种水文地质条件保证了地下温度保持在常年恒定。 图23：瑞士Grabs 的PAGO公司 2006 （1=能源桩，2=连接管道，3=收集站，4=主管，5=制冷中心） PAGO公司从1996年起利用570个能源桩从地下获得能量用于公司的供暖和供冷，效 果非常显著。在冬天获得每米能源桩35千瓦时的热能进行供暖，夏天获得每米能源桩40 千瓦时的冷能用于房间空调和机器的降温。能源桩深度12米，安装在干燥的，淤泥质粉沙内，以4个能源桩为一组，呈方型顶角安装，四边间距为1．4米。在冬天结束时，交换剂在外面被冷空气降温，以便使能源桩周围的的地下温度降低。 图24：德国法兰克福的美茵塔（Katzenbach 2002） 法兰克福的美茵塔建筑有112个基础桩（直径1．5米，长度30米），还有101个保护 桩用于建筑开挖（直径0．9米，长度34米），热能负荷500千瓦。 ： Balke, K.-D. (1974): Der thermische Einfluss besiedelter Gebiete auf das Grundwasser, dargestellt am Beispiel der Stadt Koeln. gwf-wasser/abwasser 115, H. 3 Balke, K.-D. (1977): Das Grundwasser als Energietraeger. Brennstoff-Waerme-Kraft 29, Nr. 5 Balke, K.-D. (1980): Raumzeitliche Ausbreitung der Temperaturanomalie um Wärmepumpen-Schluckbrunnen. In: GLATZEL, W.D. & HEISE, K.-D. (Hrsg.): Wärmepumpen und Gewässerschutz, S. 61 - 78, 18 Abb., 1 Tab., Berlin Balke, K.-D. & Zhu, Yan (2004): The Application Of Shallow Hydrogeothermal Energy In Areas Of Low Enthalpie. In: Proceedings of the World Engineer?s Convention 2004, Resources and Energy, Vol. F-A, p. 596 – 600, 5 fig., China Science and Technology Press, Beijing, ISBN 7-5046-3929-X, ISBN (digital) 7-89995-986-1/z*029 Geothermie Neubrandenburg (2004): Bewertung der geologischen und verfahrenstechnischen Möglichkeiten einer praktischen Nutzung geothermaler Energie im Bundesland Bremen. 117 S., 33 Abb., 10 Tab., Neubrandenburg Katzenbach, R., Waberseck, Th., Adam, D. & Ennigkeit, A. (2002): Innovationen bei der Nutzung geothermischer Energie durch erdberührte Bauwerke, wie z.B. Pfahlgründungen mittels Energiepfählen. Bremerhavener Energiemanagement-Agentur GmbH, Bremerhaven Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg (2005): Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden. 4. Aufl., 26 S., Stuttgart Pago Company, Grabs, Switzerland (2006) Sanner, B. (2001): Ground Heat Sources for Heat Pumps. Intern. Summer School, University of Giessen, Sept. 2001 Sanner, B. (2004): Wärmepumpen. In: Erdwärme zum Heizen und Kühlen. Geoth.Vereinig., ISBN 3-932570-21-9, Geeste systherma - Planungbüro für Erdwärmesysteme, Starzach-Felldorf, Germany (2005) Zent-Frenger Company, Heppenheim, Germany (2006) 译者： 朱琰, 德国图宾根大学应用地学研究中心, Yan.zhu＠uni-tuebingen.de, Yanzhu42＠ hotmail.com