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1、第三节 地热直接利用1.地热直接利用概述地热水的直接用途非常广泛，主要有采暖空调、工业烘干、农业 温室、水产养殖、旅游温泉、疗养保健等。在工业上，地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化 学元素、海水淡化等方面；在农业生产上，地热水可用于温室育苗 、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如：地处高纬度的冰岛不仅以 地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉，近年来又栽培了咖啡、橡 胶等热带经济作物。地热能直接利用与烹饪、沐浴及暖房，已有悠久的历史。至今， 天然温泉与人工开采的地下热水仍被人类广泛使用。据联合国统计 ，世界地热水的利用远远超过地热发电，中国的地热水直接利用居 世界首位，其次是日本。地热务农
2、地热养殖1.1 我国地热资源的特点及最佳开发模式量大而温度较低：地热资源总量多（1500亿t标准煤/年），但高 温的不多，资源量的98%以上属于中低温（105以下）热水型资源 。地热资源大都处于人口稠密区，易于开发，有利于进行以旅游为 轴线的能源的梯级综合开发利用。长期以来，地热钻井费用高，能源利用率低，经济效益不好，影 响了中低温地热田的大规模开发利用。南方地热区雨量充沛，有利于地热水自然补充，不用回灌1.2 地热能利用的评价，能量分析和火用分析地热能利用系统和所有的能源系统一样，要提高能量的利用率就 要对系统的用能水平进行祥细分析，特别是在方案选择和设计阶段 。一般常用的方法有两种：第一种
3、方法是建立在热力学第一定律基础上的能量数量分析法， 也就是我们日常用得最多的俗称“热平衡”的方法。根据能量守衡原 理，对一个稳态系统从热源输入的能量等于离开系统的能量和系统 有用功之和，即：第二种方法是建立在热力学第一定律和第二定律上，能量的“数”和 “质”统一的分析法。也就是说：对一个能量系统来说，能量被利用 ，不仅有数量的多少，而且还有质量之分。比如当环境温度为30 时，同样的热量Q存在于150的热水中，理论上所能转换成的功（ 最大作功能力），就远比存在于100的热水中为高，可达1.51倍。 在一定的条件下，能量所具有的最大作功能力称作火用，亦即在环 境温度下理想卡诺循环所能做的功，也叫有
4、效能。对一个稳态系统 ，它可用下式表示：1.3 以旅游为轴线的地热资源梯级综合开发利用模式以旅游为轴线的地热资源梯级综合利用，把地热资源不仅当作 洁净能源，也作为重要的旅游资源来规划利用。也就是说除了医疗 保健、洗浴、休闲娱乐等旅游节目外，无污染的地热发电厂、地热 制冷和供暖、地热干燥、地热温室和养鱼等都是很好的旅游参观资 源。而地热产品除电和制冷（热）直接服务于旅游业外，其余如： 无公害的蔬菜、爪果、菇品、水产品等均可供游客直接食用。由于 游客对生产环境的认可，其干燥后的产品：爪果干、菇品、水产品 更是游客遗赠亲友的佳品。下面我们以广东某地热田为例，介绍一 下以旅游为轴线的梯级综合开发利用的
5、规划。1.4 地热开发利用中所要注意的问题避免超采超用，加强回灌，保持可持续发展，地热回灌技术在很大程度上减小甚至消除了 地热能的环保影响。不能随便排放，避免对大气、土壤和水资源的污染。洗浴用地热水应与生活污水一起经处理达标后方可排放；不鼓励采用未经处理的地热尾水 直接浇灌温室作物和养鱼。地热开发造成的主要环境影响是地面干扰、地面沉降、噪声、热污染和化学物质的排放。地面干扰和地面沉降：占地，挖掘，地面塌陷，热泉的消失。空气污染：h2s, co2化学污染：1，盐类污染，地热水中含卤化物等，如回灌，高盐度的水引起土壤盐渍化和 土壤板结，还会结垢，堵塞管子2，有害元素的污染：重金属和微量元素超标，灌
6、溉，养殖和排入水体中均不好。热污染：局部空气和水体的温度升高，改善生态平衡，影响环境和生物生长噪声污染：钻井噪声80dB，地热井防喷噪声120dB2. 地热制冷吸收式制冷循环原理吸收式制冷基本循环系统是由发生器、冷凝器、制冷节流阀、蒸发器、吸 收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵等组成，如下图所示。它采用由 高沸点的吸收剂和低沸点的制冷剂混合组成的工质对。利用地热制冷空调或为生产工艺提供所需的低温冷却水是地热能直接利用的一种有效途径。地热制冷是以足够高温度的地热水驱动吸收式制冷系统，制取温 度高于7的冷冻水，用于空调或生产。一般要求地热水温度在65以上。用于地热制冷的制冷机有两种，一种是以水
7、为制冷剂，以溴化锂溶液为吸收剂的溴化 锂吸收式制冷机，另一种是以氨为制冷剂，以水为吸收剂的氨水吸收式制冷机。 氨水吸收式制冷机由于运行压力高、系统复杂、效率低、有毒等因索，除了要求 制冷温度在0以下的特殊情况外，一般很少在实际中应用。吸收式制冷基本循环系统图 1发生器，2冷凝器，3膨胀阀， 4蒸发器，5吸收器，6膨胀阀（ 辅），7热交换器，8溶液泵 整个系统包括两个回路：一个是制冷剂回路，一个是溶液回路。系统中使用的工作 流体是制冷剂和吸收剂，我们称之为吸收式 制冷的工质对。吸收剂是液体，它对制冷剂 有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气 体后形成溶液。溶液加热又能放出制冷剂气 体。因此，通过
8、溶液回路取代了蒸汽压缩式 制冷循环中压缩机的作用，构成蒸气吸收式 制冷循环。制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷 凝成液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溴化锂吸收式制冷机工作过程组成热源回路冷却水回路冷媒水回路冷剂水回路溶液回路2.1 地热制冷系统的组成地热制冷系统生要有地热井、地热 深井泵、换热器、热水循环泵、溴化锂 吸收式制冷机、冷却水循环泵、冷却塔 、冷冻水循环泵、空调末端设备和控制 器等组成（右图）。地热井是开采地热水的必要设备， 地热井的直径、深度由地质条件和所需 开采量决定。地热深井泵用于提取地热 水。由于从井中抽取的地热水普遍含有 固体颗粒和腐蚀性
9、离子，为了保护制冷 机的安全，必须在制冷机与地热井之间 设置换热器，采用清洁的循环水为介质将地热水的热量传递给制冷机。降温后的 地热水则从换热器排出，再作其他用途。比热容小，吸湿性强，性能系数大粘度越大，越不利于传热对黑色金属和紫铜等材料腐蚀性强烈。3. 地源热泵3.1 地源热泵含义地源热泵是一种中央空调工艺方式。它利用地表水、地下水或地下浅层土壤（地源能）的地温为冷热源，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。 地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地源能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。 3.2 地源热泵工作原理在冬季，把地能中的热量“取”出来，提
10、高温度后，供给室内采暖；夏季， 把室内的热量“取”出来，释放到地下去。 地源热泵系统主要 由三部分组成：室 外地源换热系统、 水源热泵机组和室 内采暖空调末端系 统。能源采 集系统能源提 升系统能源 释放 系统室外地源换热系统又分为三类：地下水系统，地表水系统，土壤埋管系统。1.水平式土壤埋管地源热泵通过水平埋置于地表面24m以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交 换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系 统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。2.垂直式土壤埋管地源热泵通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M400M深的岩土体与土壤进行 冷热交换。此种系统适合于
11、制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地， 如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小 。 3.地表水式地源热泵地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行 冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水 或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑 物周围有较深、较大的河流或水域。4.地下水式地源热泵地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地 下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合 建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。地源
12、热泵分类及施工方式水平埋管施工方式： 水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二 层六管、扁平曲线状管，螺旋状管等形式，单层管最佳深度0.81.0m，双层管 1.21.9m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场 地大，在实际使用中，往往是多层埋管；螺旋管优于直管，但不易施工。由于浅 埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情 况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少 。垂直埋管施工方式1：根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺
13、旋盘管和大直 径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；按埋设深度不同分为 浅埋（30m）、中埋（3180m）和深埋（80m）。 地源热泵分类及施工方式3）单管型主要用于地下水做热源的热泵系统，该种型式投资较少。其安装方法 是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm。地下水 位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自 然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。地源热泵分类及施工方式垂直埋管施工方式2：1）U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100150mm，井 深10200m，U形管径一般在
14、50mm以下。由于其施工简单，换热性能较好，承压 高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。据介绍，采用这种地源热泵热 系统较常规空调节电25%，节约燃料费70%。国外有的工程把U形管捆扎在桩基的 钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面。2）套管式换热器的外管直径一般为100200mm，内管为15。 由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，其换热效率较 U形管提高16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比 U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度 30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头
15、部分 宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。类型埋管式土壤源地下水源地表水源水资源法规不受限制，国家鼓励受限制，审批严格受限制，需审批地理纬度适用我国长江以北地区适用我国长江以北 地区受影响，要求地表 水温在固定范围建筑物与地源 距离不受影响，在建筑物周 围垂直埋管即可抽水会造成地面沉 降，井位密度和井 距都有严格要求取水距离不宜过远寿命及可靠性不受影响，地下埋管可 使用50年受影响受影响大各类型地源热泵比较分析3.3 地源热泵的特点和优势l 清洁可再生的能源利用技术地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，收集了近 47%的太阳能量，比人类每年所消耗能量的500倍还多，同时也 是一个巨大
16、的动态能量平衡系统，自然保持能量吸收和发散的 相对平衡。地源热泵技术能成功的利用储存于其中的热能。 2 高效节能的技术地源热泵以土壤、地下水、地表水的热能作为热源，冬季在 制热运行时，地下水温度比环境温度高，使水源热泵的蒸发温 度比其他类型热泵的蒸发温度大大提高，且不受环境变化的影 响，所以能效比提高；夏季制冷运行时，由于夏季地下水、地 表水温度比环境温度低，冷凝压力降低，压缩机输入功率减少 ，使制冷性能比风冷式或冷却塔式制冷机组有校大提高。大量 测试数据表明，由此导致的机组效卒提高，可节省能源达20 以上。3 环境保护和经济效益显著地源热泵以电为动力，运行时不产生对环境有害的物质。 抽取的地下水或地表水（河水、海水、湖水）大多实行封闭 式回灌，对地下水资源和环境丁产生破坏作用，效益显著。 地源热泵耗电量少，与空气热泵相比，节电40%；与电供热 比校，节电70 。制热时与燃气锅炉比校，节能50 ；与 燃袖锅炉比校，节能70 。 4 设计特点明显地源热泵系统设计上具有很大的灵活性，可以安装在
