【一】研究意義

 

  我國(guó)廣泛分布著中低溫地?zé)豳Y源，非常有利于供熱、養(yǎng)殖、種植等直接利用。據(jù)國(guó)際地?zé)?/a>協(xié)會(huì)(IGA) 2000年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)地?zé)嶂苯永?/a>量已37908TJ/a，居世界首位。我國(guó)的地?zé)嶂苯永?/a>中有很大一部分是用來(lái)供熱的，地?zé)峁?/a>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(dá)1180萬(wàn)平方米（2001年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。特別是天津市，地?zé)峁?/a>面積已達(dá)860萬(wàn)平方米，占全國(guó)的74%。

 

  然而由于目前在一定程度上存在著粗放型開(kāi)發(fā)現(xiàn)象，我國(guó)的地?zé)崂?/a>還存在如下問(wèn)題：

  以地?zé)岵膳?/a>為主要目的的地?zé)崂孟到y(tǒng)，不僅開(kāi)發(fā)消耗的資源量很大，而且簡(jiǎn)單的用熱之后，沒(méi)有進(jìn)行很好的深度開(kāi)發(fā)，就將大量的地?zé)崴?/a>排放掉。使地?zé)豳Y源的復(fù)合特征沒(méi)有充分的發(fā)揮，造成資源的較大浪費(fèi)。

 

  2.利用技術(shù)、工藝及設(shè)備配套尚需進(jìn)一步優(yōu)化

 

  目前在利用設(shè)備配套水平上，不能把地?zé)豳Y源的能量充分利用和提取出來(lái)，從而使資源的利用率較低。歷史上遺留下來(lái)的老的地?zé)峋?/a>系統(tǒng)中存在不經(jīng)濟(jì)、不合理、浪費(fèi)大等問(wèn)題。

  3.排放溫度高，造成資源浪費(fèi)與新的環(huán)境問(wèn)題

 

  在地?zé)岵膳到y(tǒng)中，受常規(guī)的管網(wǎng)式供熱工藝和技術(shù)水平的限制，地?zé)崴?/a>經(jīng)一級(jí)換熱后的溫度仍然很高，一般不低于40℃，不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，又給環(huán)境帶來(lái)了熱污染。地?zé)?/a>作為一種清潔的新能源，市場(chǎng)的需求會(huì)愈來(lái)愈大。但不能只依靠增加地?zé)豳Y源的開(kāi)采總量來(lái)擴(kuò)大利用規(guī)模和滿足市場(chǎng)需求，而是要依靠科技進(jìn)步，提高利用水平。就目前利用的水平來(lái)說(shuō)，還有很大的潛力可挖。從現(xiàn)狀看，排放溫度普遍在45-50℃,地?zé)崴_(kāi)采出來(lái)的溫度平均在85℃，平均利用溫差為40℃，如果采用新技術(shù)把溫度降到20℃左右，可提取更多的熱量以利用。

 

  利用技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，是解決粗放式開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用中存在的不科學(xué)、不合理、不經(jīng)濟(jì)，浪費(fèi)大、污染重的諸多問(wèn)題，只有依靠科技才能解決。要借助于市場(chǎng)的推動(dòng)，政府的協(xié)調(diào)，資源意識(shí)的增強(qiáng)，公眾的參與，大力推進(jìn)地?zé)崂?/a>中新技術(shù)、新工藝、新方法的應(yīng)用，解決長(zhǎng)期以來(lái)一直不好解決的諸如腐蝕問(wèn)題、地?zé)?/a>棄水溫度高的問(wèn)題、地?zé)豳Y源的多種功能不能全部發(fā)揮的問(wèn)題等。通過(guò)科技創(chuàng)新，把跨學(xué)科，跨領(lǐng)域的技術(shù)相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)突破。

 

  【二】基本概念

 

  為了解決地?zé)嵛菜?/a>排放溫度高、資源利用率低與環(huán)境熱污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了地?zé)豳Y源梯級(jí)利用技術(shù)。地?zé)崽菁?jí)利用就是多級(jí)次地從地?zé)崴?/a>中提取熱能，多層次地利用地?zé)崮?/a>。通常情況下，可以將地?zé)崮?/a>要供暖的總負(fù)荷分成高溫供暖部分與低溫供暖部分，先按照高溫供暖設(shè)計(jì)方法提供一部分供暖負(fù)荷，然后按照低溫供暖設(shè)計(jì)方法提供其余的供暖負(fù)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(fēng)機(jī)盤管。

 

  地?zé)崽菁?jí)利用工藝充分發(fā)揮了地板輻射采暖、地?zé)釤岜?/a>的優(yōu)勢(shì)。地板輻射式采暖與熱泵技術(shù)，可以大大降低地?zé)崴?/a>的排放溫度，從而提高熱利用率，即地?zé)?/a>水首先通過(guò)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(lái)的地?zé)崴倮?a href="http://www.tja100.com.cn/t/熱泵技術(shù).html" >熱泵技術(shù)提熱或直接供熱，或采用調(diào)峰。在這三個(gè)溫降級(jí)次間，根據(jù)需要，拓寬生活洗浴、康樂(lè)理療、礦泉水、花卉種植等項(xiàng)目，以減少這些配套項(xiàng)目所需要的資金投入和土地、能源、淡水資源的消耗，使地?zé)崴亩喾N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(kāi)發(fā)方式，使當(dāng)時(shí)不能完全消化的尾水重新回到熱儲(chǔ)層，經(jīng)過(guò)地下的熱交換，可以再開(kāi)發(fā)出來(lái)更多的熱能。所有這些都需要以科技為先導(dǎo)，創(chuàng)新為突破，解決系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的瓶頸問(wèn)題，依靠科技進(jìn)步提高地?zé)豳Y源利用的集約化水平。

 

  【三】技術(shù)原理

 

  以往的地?zé)峁?/a>設(shè)計(jì)是通過(guò)一級(jí)換熱進(jìn)行的，即地?zé)崴槿『筮M(jìn)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(yán)重的熱污染。

 

  為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出熱水雙循環(huán)系統(tǒng)梯級(jí)利用新技術(shù)。根據(jù)建筑物的規(guī)模、負(fù)荷、末端設(shè)備進(jìn)行分類，分成若干組團(tuán)，根據(jù)各組團(tuán)的負(fù)荷，將系統(tǒng)總負(fù)荷劃分成幾個(gè)部分，并且要結(jié)合各組團(tuán)設(shè)計(jì)參數(shù)和負(fù)荷量來(lái)確定各部分的系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)使各部分參數(shù)與負(fù)荷之間相互藕合，優(yōu)化配置，在滿足各部分負(fù)荷要求的同時(shí)，使整個(gè)系統(tǒng)總負(fù)荷能力得到增強(qiáng)。

 

  具體實(shí)施方法如下：

 

  (1)開(kāi)采出來(lái)的地?zé)崴?，?jīng)過(guò)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(guò)一級(jí)換熱的地?zé)崴M(jìn)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?zé)崴M(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行溫度的提升后供小區(qū)新開(kāi)發(fā)的采暖，或者熱泵機(jī)組將溫度提升后，將熱送回第二梯次熱網(wǎng)中，供熱負(fù)荷并入第二梯次熱網(wǎng)中，即為第三梯次。

 

  (4)熱泵機(jī)組排出的地?zé)崴闪硪谎?a href="http://www.tja100.com.cn/t/地?zé)峋毓?html" >地?zé)峋毓?/a>到地下。至此完成了一個(gè)循環(huán)過(guò)程。由此解決地?zé)豳Y源利用中存在的諸多問(wèn)題。

 

  該技術(shù)的目的是使地?zé)峁┡?/a>從一級(jí)利用擴(kuò)展到多級(jí)利用，從而充分發(fā)掘地?zé)豳Y源的潛力，減少環(huán)境熱污染，提高能源利用率。

 

  【四】技術(shù)關(guān)鍵

 

  1.藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫技術(shù)

 

  地?zé)峁┡?/a>、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?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/梯級(jí)利用.html" >梯級(jí)利用系統(tǒng)中的一個(gè)核心問(wèn)題是要將利用系統(tǒng)與地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，做到利用多少開(kāi)采多少。實(shí)現(xiàn)這一要求的關(guān)鍵是解決好系統(tǒng)的控制技術(shù)問(wèn)題。

 

  地?zé)峁?/a>中存在兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。一個(gè)是用戶熱力子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)室內(nèi)供熱，該系統(tǒng)的特點(diǎn)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(gè)是地?zé)崴酉到y(tǒng)，負(fù)責(zé)熱水開(kāi)采并向用戶熱力子系統(tǒng)提供熱能。由于地?zé)崴疁囟?/a>是相對(duì)恒溫的，總熱量的變化只能通過(guò)流量來(lái)控制，因此，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是調(diào)量不調(diào)質(zhì)。兩個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)換熱設(shè)備連接并進(jìn)行熱交換。地?zé)崴_(kāi)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(diǎn)，建立自動(dòng)控制系統(tǒng)，將室內(nèi)溫度需求反饋到地?zé)崴酉到y(tǒng)中，對(duì)開(kāi)采量進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程是由藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫系統(tǒng)來(lái)控制的。藕合自控雙循環(huán)調(diào)溫技術(shù)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(fù)荷，再將室內(nèi)供熱負(fù)荷信號(hào)傳送到地?zé)崴酉到y(tǒng)中，調(diào)節(jié)地?zé)崴髁?，?shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)崴偀崃康恼{(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)用戶熱力子系統(tǒng)的循環(huán)水溫度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)供熱負(fù)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(shù)原理圖。

 

  2.各級(jí)參數(shù)的藕合匹配

 

  地?zé)崽菁?jí)利用工藝的另一個(gè)關(guān)鍵是各級(jí)參數(shù)的藕合匹配。首先是用戶熱力子系統(tǒng)各級(jí)參數(shù)的匹配，用戶熱力系統(tǒng)一般分三級(jí)進(jìn)行，各級(jí)的供熱溫度要根據(jù)供熱面積與負(fù)荷要求確定。確定各級(jí)供熱溫度后，就可以相應(yīng)地確定地?zé)崴到y(tǒng)的換熱溫度。地?zé)崴到y(tǒng)一般采用兩級(jí)換熱一級(jí)提溫的方式，各級(jí)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?zé)嵊糜诠┡?a href="http://www.tja100.com.cn/t/開(kāi)發(fā)利用.html" >開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，由于各地水質(zhì)、溫度和采暖設(shè)施的不同，利用的形式也就各有不同。但總結(jié)起來(lái)其基本形式有兩種，一種是地?zé)崴苯舆M(jìn)入末端設(shè)備的供暖方式，叫直接供暖方式;另一種是通過(guò)換熱器將地?zé)崴臒崃拷粨Q到另一種介質(zhì)中，通過(guò)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(duì)于地?zé)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/供暖系統(tǒng).html" >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?zé)崴乃|(zhì)、水溫、末端設(shè)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?zé)崴乃|(zhì)和溫度。

 

  ①地?zé)崴疁囟?/a>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(duì)高溫資源來(lái)說(shuō)，熱量損失相對(duì)于資源品位而言較小；而對(duì)低溫資源來(lái)說(shuō)，由于本身溫度不高，熱量損失相對(duì)資源品位就比較大。并且，由于低溫地?zé)峋?/a>的水溫較低，為盡量減少換熱溫差熱交換時(shí)需要的傳熱面積就比較大，換熱器的成本相應(yīng)也要增加。盡管如此，具體應(yīng)采用何種方式仍要以水質(zhì)的腐蝕特性而定。

  利用地?zé)徇M(jìn)行直接供暖存在腐蝕結(jié)垢問(wèn)題。地?zé)崴乃|(zhì)將會(huì)直接影響到整個(gè)供熱系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕程度。采用間接供熱時(shí)，可以選用耐腐蝕性很強(qiáng)的欽板換熱器，避免地?zé)崴筒膳到y(tǒng)管道的直接接觸，也就避免了系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢問(wèn)題。因此，對(duì)于水質(zhì)差的地?zé)崴畱?yīng)優(yōu)先選用間接供暖方式。

 

  【五】設(shè)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(bǔ)水泵、補(bǔ)水箱等。

 

  其功能如下：

 

  1.井口裝：將地?zé)峋?/a>進(jìn)行封閉，緩沖熱脹伸縮，安裝潛水電泵；

  4.熱泵：提升及交換熱能；

 

  5.分水器：進(jìn)行供水分流；

 

  6.集水器：進(jìn)行回水匯集；

 

  7.除污器：清除水中的雜物；

 

  8.循環(huán)泵：提供動(dòng)力，推動(dòng)水循環(huán)；

 

  9.補(bǔ)水泵：補(bǔ)充二次網(wǎng)的水量消耗；

 

  10.補(bǔ)水箱：貯存水以供補(bǔ)水泵使用。