刍议浅层地热能源在供暖领域的应用

刍议浅层地热能源在供暖领域的应用

赵正青

浙江陆特能源科技股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘要：在严寒地区，浅层地热能供暖系统拥有良好的发展前景，它的核心技术表现突出，可作为低温地热能源通过热泵机组生产出40~45℃的中温热水供应给用户，满足供暖需求，它的系统制热能效在2.5以上，具有绿色环保、节能降排的良好效果。本文简单刍议了浅层地热能供暖系统核心技术在严寒地区供暖领域的实际应用。

关键词：浅层地热能供暖系统；严寒地区；热泵技术；太阳能

目前国家节能减排政策已经全面提出，它促使国内各个地区在地热能源开发技术方面逐渐成熟，也确保地热能源以其独特优势取代了传统煤电供热、供电方式，成为地区供热能源的主体。在严寒地区，采用浅层地热能供暖系统配合热泵技术、太阳能可有效满足低温地热能源良性转化，满足用户供暖需求。

1. 严寒地区的浅层地热能与热泵系统联合实践应用

在严寒地区，浅层地热能发挥了重要价值作用，它在发电和热利用两方面都表现突出，技术相对成熟。就发达国家的使用情况而言，在过去5年内全世界的地热能热利用年均增长大约达到20%以上，可以说地表以下的所有物质如沉积物、地下水、岩石等等所含有的热量都被合理运用，而且这种浅层地热能也可实现重复再生利用，可无间断获取并持续利用，是清洁环保的重要能源，在经济、技术层面上都是十分可靠的能源。总体看来，它能够在地下大约200m范围内获得地热能源，可用以提供房屋供暖、供冷降温所需的所有能源^[1]。

从技术应用角度看来，严寒地区会在浅层区域挖掘地下水开采井，或安装地埋管换热器，以此获得区域内部分地热能源，该技术操作恰好可与热泵联合使用。首先，热泵就可从温度偏低的热源中获得大量热量，并由此释放出高温、可利用热量内容。例如可使用水（地）源热泵进行供暖，将浅层地下水或浅层土壤在实现热交换后直接转入到建筑内部应用于供暖供能，实现热交换，所以它也被称之为“绿色地温空调”。相比于传统供热技术，该技术在制热速度上相对较快，可分布式运用，而且省电节能，耗电量仅仅为12.5~20W/㎡。利用热泵技术配合浅层地热能供暖系统，可合理利用浅层地热资源，严寒地区利用这一技术每年都可以减少大量生物质燃烧能源的使用，改善气候环境。就以北方平原地区为例，按照7000km²计算，每年开采浅层低温能源的资源量可堪比1.5亿t标准煤，资源利用率、转化率均表现出较高水平^[2]。

再举例子，在国内北方地区某民办高校，教学楼、办公楼、图书馆、体育馆及食堂等教育相关设施总建筑面积约16万平方米，在体育场及绿化空地处配置了约3000口地埋井换热器，它们及集中地源热泵机房相互连接组成热泵系统实施供暖，地埋井换热器出水水温为3℃，通过热泵技术将供暖侧水温转化提升到45℃，该供暖系统可有效运行至少15年，供暖系统制热能效约2.8左右，相比市政热网供暖系统年节省供暖费用约200万元，节能效果非常明显。

而在某酒店+小区商住一体区域20万㎡区域主要采用水源热泵，在浅层地热能供暖系统中安装水源热泵进行供暖，将15℃左右的浅层地下水直接抽出，在经过过滤去掉杂质以后通过水源热泵系统将水中的热能直接转换为热空气进行散热供暖，而转换完热能的地下水则会通过回灌井再次返回地下循环重复使用。根据相关数据统计，当地浅层地热能供暖系统在利用水源热泵技术以后其电能应用量大幅降低，采暖过程中能效转化率达到4:1以上，每消耗1kW电能就能获得4kW热量，相比于传统燃煤锅炉房在采暖方面节能至少60%。总体来讲，浅部地热供暖系统配合热泵技术在北方严寒地区是拥有较高应用效能的，它相比常规供暖系统在成本消耗方面更低，更节约成本，在未来具有广阔发展前景^[3]。

2. 严寒地区的浅层地热能供暖系统与深层地热联合实践应用

在严寒地区，浅层地热能供暖系统也能与深层地热联合实践应用，提供更大热能效应，实现二者技术有机结合。例如在某北方地区体育馆供暖系统中就采用了这一联合技术，首先利用从深层地热开采井中提取温度较高的地热水，结合板式换热器将部分热量交换到风机盘管中形成供暖用循环水，在追求不消耗电能的前提下解决一部分体育馆供暖热源。在热交换以后地热水温度会达到45~50℃左右，该温度的地热水虽然无法直接用于供暖，但是它可通过热泵继续提取地热水热量后再送入到风机盘管中进行进一步热量交换，以追求满足耗电能最小情况下的体育馆供暖供能需求。然后地热水再通过回灌井回灌到地下，此时地温会自动将其提升到50℃以上。实际上，在该过程中整个过程中绝大部分能量均来自于土壤，所以它仅仅消耗微量电能循环地热水，这也体现了深层地热高效节能的固有价值。夏季时，采用浅层地下水进行制冷，利用制冷机组制取7℃的空调冷水，制冷用循环水再通过风机盘管向室内释放冷量达到供冷需求。如此也能实现制冷、供暖用水不混用，形成各自单一的密闭循环系统，体现地热资源绿色化特征

^[4]。

3. 严寒地区的浅层地热能供暖系统与太阳能联合实践应用

在严寒地区，由于供暖期一般都会比较长，夏季又比较短，所以在采用浅层地热能供暖、供冷系统时，比较常见的问题是浅层土壤的热平衡容易造成破坏。虽然浅层地层的热能受太阳能、地下水流动、辐射及土层传热等因素影响，很容易再次自行平衡，但也有一些地区地下水并不丰富，或者流速较慢，无法自行平衡，造成逐年积冷的现象。

目前，太阳能的利用还存在成本高、转换效率低的问题，但可以全年利用的特性，使其可与浅层地热能供暖系统联合应用。根据不平衡的冷热量差为基数选取部分太阳能集热器，在非供暖期间对浅层地层进行热回补，解决地热系统的热平衡问题。同时在供暖期间，在优质的太阳辐射天气里，还可以为供暖系统提供一部分免费热量，为系统的节能性增彩。

总结：

在严寒地区，浅层地热能供暖系统可联合热泵技术、深层地热技术、太阳能技术等等来实现对地热能源的有效使用，满足北方严寒地区的冬季供暖供能需求，同时也能实现通风、降温效果优化，这体现了地热资源在供暖领域应用的高价值。

参考文献：

[1] 武强, 涂坤, 徐生恒,等. 我国能源供给与消费优化精准配置探讨——以浅层地热能与建筑物供暖制冷配置为例[J]. 中国能源, 2020,42(05):7-10+22.

[2] 王金标, 刘倩, 杨敏华. 基于"地热能+"的县城区清洁供暖无煤化建设思路及探索研究[J]. 区域供热, 2020,205(02):52-56+65.

[3] 黄贤闯, 石岩. 中深层地热资源在供暖中的应用及负荷调峰方法分析[J]. 中国资源综合利用, 2019, 37(04):174-176.

[4] 史尚林. 地热能利用和三种供暖方式的经济分析[J]. 市场周刊·理论版, 2019(26):0208-0210.