第三章

地熱能

GeothermalEnergy一、地熱能地球內部的放射性元素不斷進行著熱核反應，具有非常高的溫度，估計地球中心的溫度達6900℃。高溫的熱量透過厚厚的地層，時時刻刻向太空釋放，這種“大地熱流”產生的能量，稱地熱能。

地熱能是來自地球深處的可再生熱能。它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變。一般估計地核的溫度為4500-6900度。僅在10公里以內的地球表層中，就含有1.2x1024kJ的熱量，這相當于地球煤儲量的2000倍。按目前世界上所消耗的能量計算，完全依靠地熱四千萬年以后，地球的溫度只降低1度。地熱能約為全球煤熱能的1.7億倍。地熱資源有兩種形式：（1）地下蒸汽或地熱水（溫泉）（2）地下干熱巖體的熱能地熱能是一種來自地球深處潔凈的可再生能源。地熱能約為全球煤熱能的1.7億倍。地熱資源有兩種形式：（1）地下蒸汽或地熱水（溫泉）（2）地下干熱巖體的熱能地熱能是一種來自地球深處潔凈的可再生能源。西藏羊八井地熱電站（25MW）西藏羊八井地熱電站（25MW）地熱能具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數穩定（流量、溫度）、使用方便等優點，集中分布在構造板塊邊緣一帶，該區域也是火山和地震多發區。地熱能不僅是一種礦產資源，同時也是寶貴的旅游資源和水資源，已成為人們爭相開發利用的熱點。不過，地熱能的分布相對來說比較分散，開發難度大。按照地熱資源的分布，世界著名的地熱帶有：環太平洋地熱帶、大西洋中脊地熱帶、地中海及喜馬拉雅地熱帶、中亞地熱帶、紅海、亞丁灣與東非裂谷地熱帶等。作為新能源大家族的一員，地熱能與太陽能、風能、生物能一樣，除個別國家之外，目前在整個能源結構中的地位可以說是微乎其微。但新能源作為一種正在大力探索中的能源，若將太陽能、風能、潮汐能與地熱能加以比較，則不難看出，地熱能目前仍是新能源中最為現實的能源。根據地熱水溫度的高低，地熱資源可分為：高溫地熱能(>150℃)中溫地熱能(90～150℃)低溫地熱能（≤90℃）用途：高溫地熱能主要用于發電；中低溫地熱能一般可直接利用(供熱、溫室、旅游和療養等)。地熱資源就其屬性可分為：水熱型地壓地熱能三種形式干熱巖型其中水熱型是目前國內進行大規模商業開發的主要地熱能，可以用作供暖(包括制冷)、生活用水、溫室以及工業等多種領域。目前地熱資源的開發利用已經形成了一定的規模與相應的產業，取得了較好的經濟、社會與環境效益。在人們日益關注全球氣候變暖和礦物燃料利用帶來的各種環境污染的今天，地熱能因價廉、清潔而被稱為是“21世紀能源”，今后的利用前景是十分廣闊的。二、地熱能的利用地熱資源作為一種新能源，近年來已經得到了世界上許多國家的普遍重視。地熱資源不僅能夠提供熱能，同時還可以提供供水水源及礦物資源，對國民經濟的發展有著極為重要的意義。1.地熱能的勘探開發史地熱開發的早期歷史就已經注意到了對溫泉的利用，如浴池及療養地，以及偶爾利用熱水供建筑物取暖等。古代人民早已利用從噴氣孔噴出的熱蒸汽煮熟食物，而且在干旱地區，已經把蒸汽的凝結水作為飲用水由噴氣孔的蒸汽中積淀的硫磺，在噴氣地帶的高嶺土層及少量的汞和明礬，幾個世紀以來就已獲得利用。而在意大利拉德瑞羅由噴氣孔中提取硼酸，卻標志著現代地熱開發的開端。這里自1812年開始，就將礦化的熱泉水引到用木材燒熱的大鍋中煮干，然后從殘渣中提取硼酸。1827年，噴氣孔的熱蒸汽取代了木材，被作為這一工藝的燃料，同時又增加了硼砂的物質來源。1904年，在拉德瑞羅建立了第一座利用天然蒸汽的試驗電站，1913年，一座250千瓦的地熱電站開始運行，標志著連續利用地熱發電的開端。2.地熱能的利用方式地熱能的利用方式可分為地熱發電和直接利用兩大類。（1）地熱發電地熱發電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發電技術，工作原理是通過打井找到正在上噴的天然熱水流。由于水是從1～4公里的地下深處上來的，所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25厘米的井每小時可生產20～80萬公斤的地熱水與蒸汽。由于水溫的不同，5～10眼井產出的蒸汽可使一個發電裝置生產出55兆瓦的電。因此可以看出其基本原理與火力發電類似，也是根據能量轉換原理，首先把地熱能轉換為機械能，再把機械能轉換為電能。在熱能轉換為電能的地方，電能即刻可以并入整個輸電網路。由于地熱田常常與居民中心相隔很遠，因此轉換為電能是輸送熱能的一種有效手段。2.地熱發電系統主要有四種：（1）地熱蒸汽發電系統：利用地熱蒸汽推動汽輪機運轉，產生電能。本系統技術成熟、運行安全可靠，是地熱發電的主要形式。西藏羊八井地熱電站采用的便是這種形式。（2）雙循環發電系統：也稱有機工質朗肯循環系統。它以低沸點有機物為工質，使工質在流動系統中從地熱流體中獲得熱量，并產生有機質蒸汽，進而推動汽輪機旋轉，帶動發電機發電。（3）全流發電系統：本系統將地熱井口的全部流體，包括所有的蒸汽、熱水、不凝氣體及化學物質等，不經處理直接送進全流動力機械中膨脹做功，其后排放或收集到凝汽器中。這種形式可以充分利用地熱流體的全部能量，但技術上有一定的難度，尚在攻關。（4）干熱巖發電系統：利用地下干熱巖體發電的設想，是美國人莫頓和史密斯于1970年提出的。1972年，他們在新墨西哥州北部打了兩口約4000米的深斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體，從另一口井取出自巖體加熱產生的蒸汽，功率達2300千瓦。進行干熱巖發電研究的還有日本、英國、法國、德國和俄羅斯，但迄今尚無大規模應用。迄今為止利用地熱發電的有美國、意大利、日本、俄羅斯、新西蘭以及冰島等國家。而根據美國地熱資源委員會(GRC)1990年的調查，世界上18個國家的地熱發電總裝機容量為5827.55兆瓦，裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。不過通過對能量實際損失的計算可以對能的轉換效率做出評價，許多的損失實際上是出現在輸送途中及隨后利用電能去做機械功或者熱處理的過程中。此外，電力不能那么容易或者有效地蓄存起來，這意味著電力系統的建設必須滿足峰值的需要，而幾乎不考慮基礎負荷。在投資方面，成本很高。基于這些不利因素，直接利用的方式(即不轉換為電能)可望有所增加，例如在建筑物取暖、農業、工藝流程或者脫鹽方面，尤其在使用其他燃料時成本明顯增高的情況下。當然，盡管所有這些過程的能量都可以由電力提供，但是能量轉換及再轉換是會造成浪費的，特別是在將電能又轉換為熱能的情況下。2.地熱能的直接利用從直接利用地熱的規模來說，最常用的是地熱水淋浴，占總利用量的1/3以上，其次是地熱水養殖和種植約占20%，地熱采暖約占13%，地熱能工業利用約占2%。利用地熱能，占地很少，無廢渣、粉塵污染，用后的棄（尾）水既可綜合利用，又可回注到地下儲層，達到增加壓力、保護儲層、保護地熱資源的雙重目的不過由于熱量的迅速散失，地下流體不能由產地輸送到很遠的地方。最大的輸送距離，一般依流體最初的熱焓(熱容量)及所指定的流體的利用方式而定。對于發電利用的蒸汽，其最大可能的輸送距離約為2--3公里。利用于農業或建筑物取暖的熱水，有可能輸送到較遠的地方。據報導，冰島城鎮的熱供水，其最大輸送距離為20公里。人們期望增加對地下熱能的利用，當然是指直接利用。雖然存在某些不利條件，如不能保持遠距離輸送、基礎負荷發電應用的限制、相對較低的效率及輸送途中的熱損失等，每7～12年成倍增長的電力需求及全世界對其他形式的能的加速增長的需求，都要求人們開發地下熱能。現在的日本北部島嶼北海道、俄羅斯的勘察加半島以及美國大盆地的部分地區，都顯示了地熱能所擁有的巨大能量與潛力。三、地熱能利用的成本對比利用不同的能量形式發電的生產成本是十分困難的。可利用的資料不完全精確可靠。然而，匈牙利、冰島、新西蘭及俄羅斯的情況表明，工業、農業及供熱方面對地下熱能的直接利用是值得重視的，其費用低于用于同樣目的的天然石油、汽油或柴油機燃料。在有可能獲得天然氣的地方，雖然天然氣的價格仍然比用于供熱目的的熱水要高，但天然氣是可以與煤競爭的。在發電方面，發現只有水力發電比較低廉，而且只是在某些地區。例如在冰島，水力發電的費用在多數情況下要比地熱發電低廉。但是，最理想的水力發電站的建設已接近飽和，地熱發電就變為經濟上可競爭的了。況且，在冰島，直接利用熱水為城市供熱要經濟得多。美國蓋瑟爾斯地熱發電表明，無論其電站規模如何，都較利用其他燃料發電的電力低廉。四、地熱能的應用現狀從世界范圍看，利用溫泉洗浴己有數千年歷史，但是開始有規模的利用地熱能源發電、供暖及進行工農業利用則始于20世紀。世界上首次利用地熱能發電是在1904年，其商業開發已經走過了百年歷史。在20世紀70年代世界出現能源危機爆發以及八十年代以來人們環境保護意識增強之后，許多國家為尋找可替代能源，掀起一個開發新能源和可再生能源的熱潮。就在此時，地熱能才開始真正受到重視。近年來，地熱資源作為一種新興能源，已經引起了世界上許多國家的重視。目前美國、意大利、日本、俄羅斯、冰島等西方幾十國家都在積極加強或正在著手進行地熱資源的勘探、開發與利用。地熱資源作為一種十分珍貴的可再生礦產資源，其集熱、礦、水為一體，具有廣泛的用途。尤為重要的是，地熱具有清潔能源的特點和對人體有保健功能的作用，使其深受歡迎，發展迅速。由于結構簡單、成本較低、并且易于建設等諸多原因，因此當時了選用不凝式汽輪機。然而它們每度電所耗費的蒸汽量為冷凝式汽輪機的兩倍，即2比1。在蒸汽豐富的地區，投資少、建設時間短的不凝式汽輪機看來是最合適的。但是隨著拉德瑞羅的擴大，許多地質人員確信，熱田的容量已經達到或者已經接近蒸汽的有效利用的臨界點。為了這個原因，現在意大利方面已逐步將大部分不凝式汽輪機更換為了冷凝式汽輪機。這樣的話，在蒸汽量不增長的情況下，拉德瑞羅和蒙特阿米亞特的發電容量也可增加到4萬千瓦以上。而美國自加利福尼亞蓋瑟斯于1960年安裝第一臺1.25萬千瓦的汽輪機以來，迅速進行了電力開發。在1972年末，生產電能已經達到了302000千瓦。在上世紀70年代，根據對蓋瑟斯熱田的容量、井孔產量、井距以及熱儲流體總儲量的推測，最大可能的生產規模估計在120～480萬千瓦以上，甚至更大

而最新投入使用的在美國蓋瑟斯的地熱田，將生產1300兆瓦的電，足以滿足130萬加州人的家庭用電。而在美國加州的噴泉熱田，熱含量保守估計至少相當于燃燒280億桶石油所得的能量。冰島由于地處亞歐板塊與美洲板塊交界處，兩大板塊的交界線從西南向東北斜穿全島。活躍的地殼活動，復雜的地貌造就了冰島豐富的水力和地熱資源。冰島可開發的年水力發電量為650億千瓦時，可開發的地熱能為450億千瓦時，地熱能年發電量可達72億千瓦時，目前已開發的僅占其中的7%。冰島首都“雷克雅未克”，她的含意是“冒煙的港灣”，因其豐富的地熱資源而得名。聰明的冰島人因地制宜，早在19世紀就開始研究利用地熱資源取暖和發電。如今，雷克雅未克成為世界上最清潔的城市，其地熱技術被聯合國作為典范推廣。冰島著名的奈斯亞威里爾地熱電站建成于90年代初，該電站位于首都東部的亨吉爾火山地熱區，是雷克雅未克能源公司建設的一座集發電和熱水生產于一體的地熱電站。雷克雅未克能源公司在此處打有20眼地熱井，深度從1100米到2000米不等，地下水溫度最高達380攝氏度。該電站目前擁有兩臺發電機組，裝機容量60兆瓦，熱水生產能力每秒1100升。電站的生產包括采熱、發電和冷水加熱，利用地熱井中采集的熱氣推動電機發電；采集地表水做冷卻用水；冷卻過程中水溫升到100攝氏度左右，然后通過管道把80多攝氏度的熱水輸送到35公里外的市區。由于冰島人口稀少，沒有必要建立大型地熱電廠，建立用于多種目的的小型電廠是最有效的方案，這一點充分說明了利用低廉的地熱發電具有廣闊的前景。現在，雷克雅未克周圍的3座地熱電站為15萬冰島人提供熱水和電力，而整個冰島有85%的居民都通過地熱取暖。地熱資源干凈衛生，大大減少了石油等能源進口。自1975年后，冰島空氣質量大為改善。冰島人還善于提高地熱資源的使用效率，包括進行溫室蔬菜花草種植、建立全天候室外游泳館、在人行道和停車場下鋪設熱水管道以加快冬雪融化等。目前世界上至少有64個國家以各種方式享用著地熱資源，利用規模不相同，其中冰島、法國、美國、日本、新西蘭等國應用技術都較為成熟。地熱能利用最廣泛的國家是冰島，其全國基礎能源的50%來自地熱，其余18%來自電力，30%來自石油，2%來自煤炭，因此冰島大約68%的基礎能源來自可再生能源

至于中低溫地熱資源的開發利用，熱泵技術是目前世界上的一個熱點，近5年來，全世界地熱熱泵容量以平均30％的年增長量在發展。對低溫地熱或地熱供暖尾水可利用熱泵技術提升其熱能品位，使地熱資源可以得到充分利用。因此熱泵技術在不遠的將來將會大大提高整個地熱資源在能源系統中的地位。美國截止1997年底，己有30萬臺地熱熱泵在運轉，每年可提供8000～11000GWh功率于供暖和空調。瑞士是一個傳統意義上沒有地熱資源的國家，但采用熱泵技術后1995年已可提供228GWh/a的熱功率于地熱采暖。總之，熱泵技術將給地熱直接利用開辟一個新天地，在其整個能源系統中的地位也將與日俱增。地熱能的利用開發無疑會產生很好的社會、經濟和環境效益。目前許多地熱資源豐富且開發利用好的國家，如美國、日本、意大利、冰島、新西蘭以及印尼、菲律賓等，地熱在整個國民經濟中也起到一定的作用。例如冰島，其首都雷克亞未克及其它幾個城市供暖全部靠地熱，僅此一項每年可節省1.3億美元(與燃油供暖相比)。

又如1998年地熱在菲律賓電力供應中己占19%，且還在繼續增長，效益可觀。目前，世界上有20多個國家建有地熱發電站，總裝機容量超過8438MW(百萬瓦)。此外，在菲律賓、印尼與新西蘭即將新增700兆瓦的地熱發電。許多國家還用地熱加熱溫室。食品加工是另一個成熟的應用。可以這么說全世界地熱資源直接應用的巨大潛力幾乎尚未開發。國別發電直接使用裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時中國289821435527法國4244562006格魯吉亞——2452136匈牙利——6382795愛爾蘭5026514435878印尼3091048——意大利62634173081008日本29917223191928表3.11994年部分國家熱能發電和使用國別發電直接使用裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時肯尼亞45348——墨西哥75358772874新西蘭28621932641837菲律賓10515470——俄羅斯1125210673斯洛伐克——100502瑞士——110243表3.1（續）1994年部分國家熱能發電和使用情況國別發電直接使用裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時裝機容量兆瓦(電)年產量千兆瓦時瑞士——110243突尼斯2068140552美國28171649118743859其他7403291935表3.1（續）1994年部分國家熱能發電和使用情況我國開發利用地熱資源已有上千年的歷史，但是較大規模的勘查開發利用則是近30年的事。目前已施工建成的地熱井近2500眼，深度從數百米延深到4000米，地熱能的利用達500余萬噸標準煤當量。我國著名的地質學家李四光曾經說過：“地熱是與石油天然氣同等重要的能源。”然而，油田每年都在搞勘探開發，可是由于各種各樣的原因，至少有一半以上的擁有豐富地熱資源的地熱井未能被加以利用，豐富的地熱資源像一位巨人沉睡在地下深處。

我國的地熱資源十分豐富，目前已發現的地熱露頭點有3200余處，經地質勘查工作證實的有1000多處，其中以低于150攝氏度的中低溫地熱資源為主，全年天然放熱資源量1.04X1017千焦，折合35.6億噸標煤。由于我國的國土面積巨大，因此各種類型的地熱資源比較豐富齊全。就地質條件而論，我國地熱資源主要分布于構造活動帶和大型盆地之中。前者資源相對集中，如云南、西藏、四川等西南高原地區和廣東、福建、臺灣、江西等東南沿海地帶，以及遼東和膠東地區。后者分布較為廣泛，主要分布于華北盆地京津塘地區的北京、天津、河北等省市以及南方的廣東、福建、海南、廣西等省市。然而，我國的地熱資源分布極不均勻，儲量大的高溫地熱帶，主要分布在西藏、云南等偏遠的高原地區。西藏的高溫地熱帶有120多個，熱儲的溫度在150攝氏度以上。其中，西藏羊八井硫磺礦曾打出一口水溫達329.8攝氏度的高溫地熱井，出來的熱蒸汽跟蘑菇云一樣。另外一個高溫地熱帶經過我國臺灣，屬于環太平洋地熱帶。臺灣那么小的一個地方就有92個溫泉，溫度達260攝氏度。從我國的地熱資源情況看，85%是低于100℃的地熱水型熱田。而且多年地質工作結果證明，我國中低溫地熱資源開發利用的潛力巨大。因此，這些因素都決定了我國地熱資源的利用主要以直接利用為主。

進入90年代，我國地熱興起了直接利用的新高潮，尤其在高緯度寒冷的三北(東北、華北、西北)地區，加大了以地熱供熱(采暖和生活用水)為主的開發力度。僅地熱采暖一項，1990年全國供暖面積僅190萬平方米，到2000年就增至1100萬平方米。

目前北京、天津、西安等大城市以及黑龍江、遼寧、寧夏、山東、河北、河南等省正在積極采用多種供熱形式(包括熱泵)進行示范工程建設與推廣。西部的云南、西藏、四川、陜西等省正在著手開發地熱旅游資源，為發展當地的旅游產業增添新品種、新增長點。全國各地的地熱直接利用，正以強勁勢頭向規模化、產業化方向健康發展。目前我國地熱直接利用量很大，到1997年底直接利用的總裝機容量已達1.9GW，居世界第一位，但年產能值不高(僅為4717GWh/a)，低于日本(直接利用裝機容量1159MW，年產能值7500GWh/a)和冰島(直接利用裝機容量1443MW，年產能值5878GWh/a)。這主要是由于直接利用不同品質的地熱資源所產生的效益不同。因此，在地熱資源的實際利用中，應針對地熱的特點采用相應的利用方法，提高能源的利用率與利用經濟性。在地熱資源開發利用方面，我國政府正在從政策、資金上加以扶持，從制度上加以引導，以免一哄而上，亂開亂采，造成資源的浪費甚至污染環境。在技術上吸收了國外成功的先進經驗（如開采與回灌技術、發電與熱利用技術），引進用于中低溫地熱利用的熱泵技術，來實現地熱資源的梯級綜合利用以及提高地熱能源的利用率。這使得中低溫地熱的直接利用如今在我國也非常廣泛，已利用的地熱點有1300多處，地熱采暖面積達800多萬平方米，在天津地區單個地熱供暖小區面積已達8O～1OO萬平方米，與此同時地熱溫室、地熱養殖和溫泉浴療也有了很大的發展。地熱供暖地熱供暖目前主要集中在我國的北方城市，其基本形式有2種：直接供暖間接供暖直接供暖－就是以地熱水為工質供熱。間接供暖－利用地熱水加熱供熱介質，再利用介質循環供熱。地熱水供暖方式的選擇主要取決于地熱水所含元素成分和溫度；間接供暖需要中間換熱器，初投資較大；中間熱交換增加了熱損失，會大大降低供暖的經濟性。一般都采用直接供暖，間接供暖只用在地熱水質差而水溫較高之處。地熱資源的利用過程中存在的問題及對策由于環保問題日益受到重視，同時能源的需求量日益增大，因此地熱資源的研究、開發與利用在我國受到前所未有的重視，尤其在我國北方的供暖中越來越被關注。中低溫地熱資源的利用如今在我國局部地區取得了良好的效果，如北京市和天津市利用地熱水進行冬季供暖，為減少化石燃料的使用，改善兩市的大氣環境產生了良好的效果。我國從20世紀70年代后期開始研究發展地熱發電，由于缺乏經驗及其它歷史原因，建立的試驗性地熱電站大部分由于效率太低而停止運行。目前我國內地共有5座地熱電站仍在運行，至1996年，全國地熱電站總裝機容量為32MW(包括臺灣)。

其中最大的是西藏羊八井地熱電站(25MW)。西藏羊八井地熱電站是一個很好的成功例子，年發電量超過1億千瓦時，對拉薩地區的供電起著舉足輕重的作用。現今我國地熱發電產業已經具有了一定的基礎。國內可以獨立建造3O兆瓦以上規模的地熱電站，單機可以達到10兆瓦。電站可以進行商業運行。經過這幾年的發展，我國也已具備施工5000米深度的地熱鉆探工程條件和水平，在華北地區，從事地熱鉆探的3200米型鉆機就有15臺套，形成全國最大的地熱鉆探群體，具備了大規模開發地熱能力，并開始朝著專業化、規范化方向發展。在開發溫泉旅游、療養、娛樂等方面這幾年也得到了迅速的發展。可以說我國在地熱能開發利用方面的技術水平以及在示范點、示范區所展現出來的經濟、社會和環境效益可以達到國際上90年代的水平，目前正在由粗放轉入集約。

但是總體上與美國、日本、冰島等先進國家相比，我國的地熱開發利用不論從總量和利用水平上都存在一定的差距。除高溫資源用于發電外，大部分中低溫地熱資源的利用仍停留在簡單的、原始的利用方式，特別是許多地熱旅游賓館在利用70～90℃的地熱水時，往往要靠自然冷卻將溫度降低到50℃以下用于洗浴和理療，使大量熱能白白浪費掉。究其原因，主要是設計規劃落后，設備陳舊，設備的年使用率不高。在地熱勘探、開采、地熱水回灌、防腐、防垢等方面的技術和設備同國外先進國家相比還存在較大的差距。由于我國長期處于能源緊張、供應短缺的狀態，而我國又是地熱資源的大國，加強對地熱能的開發利用無疑是一個很好的解決方法。從節約能源和環境保護的角度出發，地熱供暖在我國(尤其在北京、天津、西安等一些大、中城市)已經掀起了新一輪高潮。就目前能源短缺的形勢來看，開發和利用地熱資源，對我國調整能源結構、促進經濟發展、實現城鎮化戰略、保證可持續發展等具有重要的意義。五、地熱能應用的前景隨著全世界對潔凈能源需求的增長，將會更多地使用地熱。全世界到處都有地熱資源，特別是在許多發展中國家尤其豐富，它們的使用可取代帶來污染的礦物燃料電站。這是非常重要的，因為一旦對礦物燃料電廠做出投資，在整個電廠的壽命期間，將會發出大氣污染流，其期限是幾十年的時間。據估計，全世界發展中國家從火山系統可取得80000兆瓦的地熱發電。印尼的地熱潛力就達到19000兆瓦。地熱發電廠的規模大約為300千瓦～55兆瓦(凈電功率)。地熱的直接應用，全世界使用量在9000兆瓦(熱功率)以上。愛爾蘭幾乎全部家庭和大樓都用地熱。美國的幾個城市和新西蘭也在使用地熱進行采暖。對地熱的研究和開發最終將使人類能使用含在不同深度的巖石中而不單單是火山地區中的巨大地熱能。一旦進入這一階段，地熱能將供應全世界所需用電與熱量的25%～50%。國際能源專家普遍認為新能源和可再生能源是21世紀鼎盛發展的能源，預測到2100年它在世界能源總值中將占有30%～80%。因此在不久的將來，無論從保護環境還是從節約資源的角度來看，加速開發作為新能源的地熱能將會成為世界各國重要的發展機遇，地熱能也會成為各國的能源支柱之一。

六、地熱能在前沿領域的發展地熱能的開發利用己有較長的時間，包括地熱發電、地熱制冷等技術都己比較成熟。結合國內地熱(源)能開發的特點和國外地熱(源)能利用的現狀，目前在地熱能利用中的前沿領域大體為以下三個方面：地熱(源)熱泵技術地熱制冷空調技術地熱能梯級綜合利用技術1.地(源)熱泵技術地熱泵(Geothermalheatpump)也稱為地源熱泵(Groundsourceheatpump)，它是以地源能(土壤、地下水、地表水和低溫地熱水)或地熱尾水作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫熱源，實現采暖、制冷、供生活熱水，替代傳統的制冷機十鍋爐的建筑物主調、采暖、供熱模式，是改善城市大氣環境、節約能源的一種有效途徑，是地源能利用一個新的發展方向。2.地熱制冷空調技術地熱制冷空調技術的核心部分是熱水型溴化鋰吸收式制冷技術。國內外在溴化鋰吸收式制冷技術方面的研究都己比較成熟，產品開發大都為蒸汽型和直燃型兩種機組。熱水型溴化鋰兩級吸收式制冷機的研制成功使得這項制冷技術有效地與我國中低溫地熱(70～90℃)相結合，成為地熱能直接利用一個新的開發領域。3.地熱能梯級綜合利用技術地熱能梯級綜合利用技術是目前解決地熱能的單一利用的有效方法。結合國內外地熱能的開發利用情況，可以發現，地熱能的利用率較低，過高的地熱水排放溫度不僅造成了地熱資源的浪費，還給環境帶來了負面影響。為此，國外一些國家開始提倡“梯級利用”，并取得了很好的經濟效益，能量綜合利用效率達到70%以上。因此地熱能梯級綜合利用技術的廣泛采用將成為日后地熱能應用的一個主旋律。七、國外地熱泵技術應用的歷史與發展最早的地熱泵誕生于美國，1954年美國人發明了世界上第一臺地熱泵，其工作原理與今天的地熱泵相同，只是體積較大，機械功和熱效率要比現今的地熱泵系統低得多。上世紀70年代初期，北歐國家的科技工作者開始了地熱泵的實際利用研究與開發，并得到了國家政府的強大支持。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國家政府資助的示范工程逐步建立起來，地熱泵生產技術逐步完善。從系統技術上來說，這個時期的地下熱傳導體系大多采用的是地下水直接利用方式，要求有一定的水溫，而且技術相對粗糙，甚至沒有回灌井。1970年代后期，瑞典科學家開始研究地下開放式的循環采熱系統。1980年代是地熱泵技術飛速發展的時期。北美國家的政府機構和科研單位大力開發地熱泵的系統技術，美國能源部接連資助了兩所大學、兩家公司的研究和開發機構，在俄克拉荷馬州立大學成立了國際地熱泵聯合會。同時美國地調所也開展了地熱泵應用前景的調查，對美國中西部七個州的地下淺層地質結構、大地熱流、熱傳導、地下水位、水量以及地熱泵利用程度做出詳細評價，提供相應圖片。這一時期，美國的地熱泵生產廠家十分活躍，成立了全國地熱泵生產商聯合會并且逐步完善了安裝工程網絡。歐洲國家以瑞士、瑞典和奧地利等國家為代表，大力推廣地熱泵供暖和制冷技術，國家政府采取了相應的補助政策和保護政策，使得地熱泵生產和使用范圍迅速擴大。1980年代后期，地熱泵技術已臻于成熟，更多的科學家致力于地下系統的研究，努力提高熱吸收和熱傳導效率，同時越來越重視環境的影響問題。地熱泵生產呈現逐年上升的趨勢，瑞士和瑞典的年遞增率超過10%。當時美國的地熱泵生產和推廣速度很快，技術產生了飛躍性的發展，成為世界上地熱泵生產和使用的頭號大國。1990年代以來，歐美國家的科技工作者聯系更加密切，共同開發出地下封閉循環系統技術和井中熱交換技術。這種技術不僅完全解決了抽取地下水造成的環境問題，而且也使地熱泵采暖技術應用于缺少地下水的地區和地下水質量惡劣的地區。

根據國際上1995至1999年的數字統計，發達國家地熱泵產品的發展勢頭十分可觀。美歐日等國家的地熱泵利用情況如下：美國：封閉循環的地熱泵系統已經安裝了20萬套以上(開放循環的地熱泵系統大約有35萬至40萬套)，每年遞增約20%，到2000年每年安裝5～6萬套地熱泵系統，其中有4萬套為封閉循環的地熱泵系統。加拿大：地熱泵技術發展稍晚，其中封閉循環地熱泵系統在加拿大剛剛開始，至1994年，僅有7000～8000套封閉循環地熱泵系統投入使用，加上開放系統地熱泵總數不超過萬臺。瑞典：在地熱泵應用初期，瑞典政府采取了一定的補貼政策，1990年代以來，政府補貼取消，但地熱泵安裝仍以1000套/年的速度遞增。瑞典全國已經安裝了23萬套地熱泵，其中約5萬套為封閉循環的地熱泵系統。瑞士：瑞士是世界上地熱泵應用人均比例最高的國家，其中封閉循環地熱泵系統所占比例越來越高，至1998年，總數達到20萬臺以上，號稱世界上封閉循環地熱泵系統密度最大的國家。奧地利：奧地利是一個獨立發展地熱泵技術的國家，地熱泵生產技術和安裝技術自成體系。據1995年的資料統計，封閉循環地熱泵系統占地熱泵安裝總數的65%以上。日本：日本的地熱泵制造技術水平也較高，年生產量達到400萬臺。

八、國內地熱泵技術的應用歷史與現狀我國從1995年開始學習和引進歐洲產品，并且開始研制地熱泵。直到1997年才出現有規模的地熱泵供暖制冷系統，而且全部為開放循環體系。從1999年上半年起國家環保總局、國家建設部、科技部等單獨或聯合召開了兩次產品推銷會和地熱泵應用現場會，極大地促進了地熱泵產品進入供暖市場。作為環保科技新產品已經受到了政府各部門的高度重視，從世界經濟和技術發展趨勢來看，中國是將來世界上最大的地熱泵經濟和技術市場。在中國，地熱泵技術將會取得最大環保效益和經濟效益。瑞士學者Rybach(1999)指出：中國是世界上直接利用地熱潛力最大的國家，在世界上名列第一。其主要原因在于：(1)中國幅員遼闊，近地表低溫地熱資源豐富；(2)中國人口眾多，采暖和制冷工業的基礎相對薄弱，將來的需求量無可比擬。但是到目前為止，中國地熱直接利用技術尚沒有得到足夠重視。2000年6月在日本召開了第15屆國際地熱大會，Rybach擔任大會主席，他認為在地熱直接利用領域，地熱泵將是最活躍的一項新技術產品，可能占我國地熱直接利用能量總和的70%以上。我國科技工作者對地熱泵技術研究甚少，產品單一，缺乏完善的市場體系，因而在地熱泵推廣過程中存在很大困難，但是隨著國際交流的擴展和市場經濟的完善，地熱泵技術和產品必將在中國得到發展。1.地熱泵技術簡述地熱泵是一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物供暖及制冷的新技術，它利用地下相對穩定的土壤溫度，通過深藏于建筑物下面的管路系統與地表建筑物進行熱交換，可一年四季方便地調節建筑物內的溫度。由于該制冷供熱方式不存在能量形式的轉換，完全是一種能量的“搬運”過程，因而其能量轉換效率高，運行成本低，是目前各國政府及科研部門均十分關注的一門新技術。2.地熱泵技術的工作原理地熱泵技術是一種利用淺層常溫土壤中的能量作為能源的先進的新型空調技術，其具有高效節能、無污染、運行成本低、既可供暖又可制冷等優點。在地熱泵系統中，它總是從低溫熱源吸收熱量，向高溫熱源放熱。所以，一個溫度相對穩定低溫熱源對這個系統至關重要。而地熱泵就是利用地下常溫土壤或地下水溫度相對穩定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統或地下水與建筑內部完成熱量交換的裝置。根據卡諾循環的原理，地熱泵既可供熱又可制冷。對于地下的循環系統來說，供熱時是低溫熱源，制冷時是高溫熱源。它完全不需要任何的人工熱源，徹底取代了鍋爐或市政管網等傳統的集中供暖方式。冬季供暖，夏季制冷，一舉兩得。在供暖時地熱泵技術可吸收土壤中的熱能，再將其轉移到室內，制熱系數高達3.5到4.5，而鍋爐僅為0.7到0.9，可節省70%以上的能源和40%到60%的運行成本；制冷時比普通空調節能40%到50%，運行費用降低40%以上。能量利用效率高、節能能力強、運行成本低，這都為地熱泵技術的商業推廣創造了條件。3.地熱泵技術的主要分類：地熱泵技術主要分為：（1）以美國技術為代表的土-氣型地熱泵技術（2）以北歐技術為代表的水-水型地熱泵技術（1）土-氣型地熱泵技術從淺層土壤或地下水中吸收熱量或向其放熱，通過分布于各處的地熱泵機組直接轉換成熱風或冷風為用戶供暖或制冷。（2）水-水型地熱泵技術從地下水中吸熱或放熱，經過地熱泵機組轉換成熱水或冷水，然后再經過分布于各處的風機管網轉換成熱風或者冷風給用戶供暖或制冷。從技術原理來看:土-氣型地熱泵技術由于受到的限制較少，使用范圍更大，更靈活。而且由于減少了能量轉換的過程，使能量損失降至最低。能量利用的效率得到了提高，運行成本也降低了，所以應該更加提倡使用土-氣型地熱泵技術。4.地熱泵的基本結構地熱泵主要有五個部件組成:壓縮機、冷凝器、膨脹器、調節閥和制冷劑。（1）壓縮機主要是將膨脹器中產生的制冷劑蒸汽加壓，使之體積縮小，溫度升高，不斷流向冷凝器。它可以被視為地熱泵的心臟。（2）膨脹器是將低溫熱源中的熱量吸收到地熱泵的制冷劑中，使之汽化，并經過壓縮機加壓成為高溫高壓氣體流。（3）冷凝器能將膨脹器中產生的熱量傳導至高溫熱源中，同時使氣態制冷劑還原成液態（4）調節閥是制冷劑的節流裝置，主要功能有兩個：首先是對高壓液態制冷劑節流降壓，保證冷凝器和膨脹器之間的壓力差；其次調整進入膨脹器中的制冷劑流量，以適應膨脹器的熱負荷變化，保證制冷裝置正常運行。（5）制冷劑是制冷循環的工作介質，在膨脹器中液化時吸收熱，在冷凝器中凝結時放熱。目前常用的有氟立昂類、氨水和少數碳氫化合物等。圖3-1地熱泵內部熱轉換示意圖八、地熱能梯級利用供暖系統簡介所謂的地熱能梯級利用供暖系統就是利用多臺或多組供暖設備及熱泵通過換熱器采用串聯的方式，使地熱水溫度逐級降低，以達到充分利用地熱能為目的的地熱能供暖系統。1.地熱能梯級利用供暖系統基本原理：由于目前單臺或單組供暖設備所能產生的溫降是有限的，為了能充分地利用地熱能，需要采用幾臺或幾組供暖設備串聯的方式，使地熱水降到理想的溫度，再予以回灌。同時地熱水一般含有大量的礦物質以及腐蝕性物質，工程上常常通過使用耐腐蝕的鈦板換熱器把地熱水和供暖設備隔離。與常用的供暖空調系統相比，地熱梯級利用供暖系統工程模式的設計要復雜的多。這主要是因為存在級數的確定問題。級數確定的影響因素非常多，包括地熱井的參數，建筑物的使用功能，供暖設備的選擇等等。因此，合理的地熱梯級利用供暖系統設計應根據地熱井的情況以及使用地熱的建筑物具體情況決定。（1）地熱泵系統簡介地熱泵系統可以分為三個部分，地上熱傳導部分、地熱泵部分和地下熱交換部分。地上部分可以與傳統的鍋爐采暖系統相協調，原理相對簡單，而地下部分則是地熱泵工作性能的關鍵。目前國際上流行的地下循環系統有兩種：1）開放循環系統開放循環系統是利用地下水作為直接熱媒，所以此種系統常常被稱為“地下水源熱泵”。系統基本由抽水井、回灌井或地表水系組成(見下圖3-2)圖3-2開放循環系統優點：設計簡單，比封閉系統少鉆井費用，如果地下水用過后被用于灌溉等其他用途，運行費用將會更低。缺點：需水量大，可用的水源可能受到限制，熱泵的傳熱效率受到懸浮物、腐蝕性物質、水垢和細菌微生物等的影響，泵的能耗會非常大。如果需回灌井，費用將很高。2）封閉循環系統封閉循環系統主要用在地下水不足的地區。它是利用低溫地熱加溫人工注入的采熱媒體，一般為水和防凍液的混合物，經過地熱泵釋放出熱量再循環至地下。由于我國大部分地區特別是冬季寒冷地區屬于嚴重缺水地區，故開放式地下循環系統研究價值不大，而封閉循環系統則顯示出其優越的開發前景。目前國際上流行的封閉循環系統有如下幾種不同的設計：(1)水平環路：一般用在面積充裕的場合。管子埋在溝里，位于地下1.2～3m。每個溝里埋有1到6根管子。盡管這樣管子的長度增加了，但是節省了土地使用面積，管溝的數量減少了，成本也降下來了。管溝的長度是在8.7～34.6m/kW，取決于土壤條件和管溝中敷設的管道數量。該系統由于使用面積大，常用于住宅建筑(見圖3-3)。優點:管溝的造價低于打井費用，可以靈活安裝；缺點:使用土地面積大，淺層地表的溫度受氣候影響較大。土壤傳熱特性隨著氣候、雨水、埋設深度而波動。圖3-3水平環路(2)螺旋形環路螺旋形環路是水平環路的一個變種，如圖3-4所示，在管溝內螺旋狀擺放。還有一種類型是將管子螺旋狀放入豎直管溝內。螺旋狀環路所需要的管子更長，一般約為43.3~86.6m/kW，但是所需管溝比水平環路要少。它同樣適用于土地面積較大的場所。優點:螺旋形環路具有比其他形式的水平環路占地少，安裝費用相對較少的。缺點:所需管子較長，受天氣影響較大，泵功率要求較大，管路系統容易在填埋時受損害。

圖3-4螺旋形環路(3)垂直環路垂直環路如圖3-5所示，其主要適用于土地面積受到限制的場所。一般井深大約為22.9～91.4米。閉式管路插入垂直井中，一般是17.4~52.2米/千瓦，具體數值取決于土壤和溫度條件。一般要打多個井，間距是3.0～4.9米。管子可以串聯也可以并聯。垂直環路的優點：在所有閉式系統中所需管長最小，所需泵的功率最小，所占土地面積最小，土壤溫度不受天氣影響。缺點：需要鉆井設備，而且鉆井費用較水平管溝高。圖3-5垂直環路(4)閉式潛入式系統：如果附近有適宜的水塘或者湖泊，就可以采用閉式潛入式系統，如圖3-6所示。這種類型需要足夠大的水面積和足夠深的深度來滿足供冷或供熱需求，一般需26.0米/千瓦和79.2平方米/千瓦。水池最好有1.5英畝的總面積。優點:主要包括所需管長最短，如果條件許可，費用較少。缺點:附近需要有水塘。圖3-6閉式潛入式系統2.垂直鉆孔埋設法設計原理基本原理為在垂直鉆孔中埋入地下采熱系統，在系統中注入采熱媒體，采熱系統與地熱泵相連。采熱媒體在地下循環的過程中吸取低溫地熱而被加溫，在流經地熱泵的膨脹器時，制冷劑被蒸發而吸取熱量，所吸取的熱量最終被傳導至建筑物中。3.地熱梯級利用供暖系統級數的影響因素地熱梯級利用供暖系統主要由地熱供暖直接利用和間接利用兩部分組成,因此，籠統的說，地熱梯級利用供暖系統可以分為兩級。如果地熱梯級利用供暖系統的級數是指地熱水側板換串聯或供暖設備串聯的級數，其級數的確定則比較復雜。地熱能梯級利用系統的級數主要與三個因素有關：熱能的用途地熱水回灌溫度地熱水供水溫度(1)地熱能的用途主要是指不同熱能用途的供水溫度、回水溫度以及所產生的溫降對級數的影響。對于低溫地熱水，用途主要有供暖、游泳池、洗浴、養殖等。對于不同的供暖方式(見表3.1)以及用途，其供水溫度與回水溫度也是不同的。熱用戶終端設計標準℃實際運行溫度℃供水溫度回水溫度供水溫度回水溫度暖氣片957075～6060～50風機盤管機組605060～4550～38地板供暖60～4550～3560～4050～35表3.1不同供熱終端設備要求的設計溫度和運行溫度熱用戶終端設計標準℃實際運行溫度℃供水溫度回水溫度供水溫度回水溫度淋浴用水42———游泳池28～2626～2428～2626～4水源熱泵水源側深井地熱水(蒸發器側)35～3030～1535～20—表3.1(續)不同供熱終端設備要求的設計溫度和運行溫度從表3.1中可以看出，從上至下的不同地熱用戶供、回水溫度基本上形成一個逐漸梯級降低的趨勢，這就為地熱能的梯級利用提供了可能。只要根據建筑的需要選用合適的熱能利用方式，使它們的供、回水溫度形成梯級降低。也就是說，上一級的回水溫度和下一級的供水溫度相匹配，這樣就可以對地熱進行適當的梯級利用。而不同熱能利用方式所產生的溫降則直接影響到梯級利用的級數。較大的溫降可以減少級數，使系統比較簡單，便于控制。（2）地熱水供水溫度對于某一確定建筑物，其熱能用途和供暖形式一旦確定，供暖設備產生的溫降也己相對確定。此時，地熱水供水溫度的高低則會影響到級數的數量。地熱水溫度越高，可能需要的級數越多。（3）地熱水回灌溫度與地熱水供水溫度相反，一旦其它條件已經確定，地熱水回灌溫度越低，系統需要的級數則會越多。目前，地熱水回灌溫度并沒有一個明確的數值限制，最終還是基本上由使用者自己確定。不過一般認為地熱水回灌溫度的確定應考慮下面三個因素：1)對地熱供暖系統性能的影響：地熱水的回灌溫度會影響系統的性能。溫度越高，熱泵的水源側入口溫度就越高，熱泵的效率也越高，從而導致地熱供暖系統的總效率越高，而地熱能利用效率則會有所降低。因此，應在地熱供暖系統的總效率和地熱能利用效率之間找到一個相對平衡點。2)政府相關政策的規定：在《北京市地熱資源管理辦法》中規定：熱水型地熱是指溫度在25℃以上(含25℃)的基巖水和天然露出的溫泉。目前尚無法預測低溫地熱水回灌至同層地下水層時，對地質的影響。因此，地質學專家以及政府的相關主管部門建議地熱水的回灌溫度不低于20℃。但根據與地質部門的探討，短時間的低于20℃的回水溫度應該不引起對熱儲的重大影響，所以短時間更低溫度的回灌也是允許的。3)運行實踐：從實際運行過程中分析運行記錄，再根據實際情況設定合適的地熱水回灌溫度。總之，要綜合考慮熱能的用途、地熱水回灌溫度、地熱水的溫度這三個因素的影響，才能設計出合理的地熱梯級利用供暖系統。4.地熱能梯級利用供暖系統級數的確定在目前我國常用的供暖方式中，可以利用地熱水進行供暖的方式主要有暖氣片供暖、風機盤管、地板供暖。通常采用氟利昂或替代工質的熱泵作為采暖設備現在也普遍使用。因此，下面就使用這幾種供暖方式，討論不同溫度的地熱水用于供暖的梯級利用系統級數的確定。主要由直接利用和間接利用兩部分組成。（1）對于60℃以上(即可以直接采用暖氣片供暖的水溫)的地熱水：1)直接利用部分級數的確定：一般可以分為2級，級數的劃定不是依據串聯的級數，而主要是根據不同的供暖形式。即第一級采用暖氣片供暖，地熱水經板換換熱為暖氣片提供熱源，地熱水溫度被降至55℃左右；第二級采用風機盤管或地板供暖，地熱水經板換換熱為風機盤管或地板供暖系統提供熱源，地熱水溫度被降至40℃左右。2)間接利用部分級數的確定：40℃以下的地熱水己不適用于目前常用的供暖末端設備。因此，需要選用熱泵提升水溫。一般的系統形式如下：利用板式換熱器，熱泵的蒸發器側(水源側)循環水與地熱水交換熱量后，使循環水的溫度升高但不超過采用的熱泵設備蒸發器側入口水溫的上限，通過熱泵提升熱泵冷凝器側(負荷側)水的溫度，供給用戶。當地熱水回灌溫度確定為20℃時，對級數產生影響的主要因素就是熱泵設備的冬季水源側(蒸發器)入口水溫的上限及其溫降。據調研，目前市場上現有的熱泵(高溫熱泵除外)，冬季水源側入口水溫的上限最大為35℃；而熱泵的蒸發器側額定溫降一般為5℃。此時間接利用部分的級數為3級。但是，由于系統串聯的級數越多，則會導致系統越復雜，對于系統運行的控制、調試以及穩定性都會產生影響，因此，可以通過減小蒸發器側水量的方法，使蒸發器側的溫降加大。一般確定熱泵的蒸發器側溫降為7℃左右，這樣間接利用部分的級數為2級。因此，間接利用部分的級數一般為2～3級。而對于60℃以上的地熱水，其系統級數一般為4～5級。（2）對于45～60℃之間的地熱水：直接利用部分1級，即采用風機盤管或地板供暖，地熱水可降至40℃左右。間接利用的級數同60℃以上的地熱水系統。因此，對于45～60℃之間的地熱水，其系統級數一般為3～4級。（3）對于20～45℃之間的地熱水：由于已低于直接利用的供水溫度要求，只能間接利用，因此對于45℃以下的地熱水，也應根據地熱水溫度確定級數：當地熱水溫度為35～45℃，其系統級數一般為2～3級；當地熱水溫度為30～35℃，其系統級數一般為1～2級；當地熱水溫度為20～30℃，其系統級數一般僅有1級。5.采用地熱能梯級利用供暖系統對系統性能的影響（1）技術性能采用梯級利用方案后，將會使系統的技術性能得到極大的提升，而且地熱系統總效率將會維持在一個很高的水平。但同時也存在一個缺點，即對于地熱水量的需求將要增加。（2）經濟性能采用梯級利用系統，將會使前期投資減少，而且運行費用遠遠低于其他類型的供暖系統。因此，無論是從系統的技術性能還是從系統的經濟性能分析，采用地熱梯級利用供暖系統都遠遠優于其他類型的供暖系統。這就是推廣采用地熱梯級利用供暖系統的主要原因。九、地熱供暖示范工程專題研究北京工業大學地熱概況：1999年底，北京市發展計劃委員會給“北京工業大學地熱供暖示范工程”立項，同時北京工業大學地熱供暖示范工程課題組成立，并且在北京工業大學校園內開鑿了兩口地熱水生產井、一口地熱水回灌井，開始了地熱水利用的研究。2000年初，在地熱井尚未完成開鑿時，即投資建設500平方米的小型“地熱梯級利用實驗系統”，并進行前期測試，系統包含:低溫暖氣片組，低溫地板供暖，水-水熱泵，水-氣熱泵。為各項工程進行了準備工作。2000年6月第一口地熱井:京熱95井在大學校園內開鑿成功，水溫52℃，水量70m3/h。通過對北京工業大學經濟管理學院辦公樓地熱供暖改造工程的研究，對其改造后的系統性能進行測試，包含水-水熱泵的利用效率等，以此來了解地熱泵的實際工作狀況與性能。井編號京熱-95京熱-115京熱灌-6驗收日期2000年6月7日2001年4月28號2002年2月20日井深1580米1623米1859米出水溫度51.5℃52℃42℃出水量1700m3/day2084m3/day1008m3/day表3.2北京工業大學地熱井概況1.負荷的確定（1）設計指標北京市室外計算干球溫度：冬季為-9℃，夏季為33.4℃。室內計算溫度見下表3.3。序號房間名稱計算溫度℃冬季夏季1辦公室18272大廳16無表3.3室內計算溫度

2.水系統的設計目前的供暖方式對供水溫度都有一定的水溫要求，如暖氣片供暖系統，設計供水溫度要求為95℃，在實際運行中，供水溫度一般也在60℃以上；以風機盤管作為末端的供暖系統，供水溫度設計要求為60℃；即使是水溫要求較低的地板輻射供暖系統，一般也要求供水溫度不低于40℃。當采用這些常用的供暖方式利用低溫地熱直接供暖時，地熱水的回水溫度仍會在30℃以上。因此，如果要對地熱水進一步梯級利用，必須采用熱泵，使地熱水溫度再次降低。但這里存在一個問題，目前常用的低溫熱泵，其制熱工況下的水源側(蒸發器側)供水溫度額定參數為21℃，一般要求水溫不超過此溫度。而直接利用后的熱水溫度一般均超過此溫度，如果要滿足溫度要求，還需要通過板式換熱器將水溫降低，這樣做的代價就是降低了地熱能的能級，使系統的性能降低。而在不影響機組使用壽命的條件下，使用美國ClimateMaster生產的WE系列熱泵水源側(蒸發器側)入口溫度可以達到30～35℃。因為美國ClimateMaster生產的WE系列熱泵是小型機組，適用于大樓的改造過程。因此在這次地熱供暖方案設計中，熱泵的參數是以WE系列熱泵參數為基準的。WE120型水-水熱泵實物見圖3-7。圖3-7WE120型水-水熱泵實物

由于大樓供暖系統是一個改造工程，由于建筑物條件和實際情況的限制，可以采用風機盤管作為供暖末端。按照大樓布局，選定大廳內使用的風機盤管為新晃SL低矮式，其它為新晃SF立式明裝型。圖3-8為新晃SL低矮式風機盤管機組實物，圖3-9為新晃SF立式明裝型風機盤管機組實物。圖3-8新晃SL低矮式風機盤管機組實物圖3-9新晃SF立式明裝型風機盤管機組實物

在設計過程中，所有供暖設備的參數均以WE系列熱泵和新晃風機盤管提供的參數為準。下面就是設備的相關參數(供暖工況)：WE熱泵：水源側最高入口溫度為35℃；風機盤管：水源側溫降為2～7℃；供水溫度為40～60℃；水側溫降為4～8℃(在送風速度中速的條件下)。由于地熱水的供水溫度為47～52℃，當地熱水用水量較小時，地熱水在井筒和儲水箱中會降溫，在水處理過程中也會降溫，因此實際供水水溫T0約為(45～50)℃；在鈦板換熱器的兩側水流量相同的條件下，其對數換熱溫差為0.5～2.5℃；因此鈦板換熱器循環水出口溫度T1為(43～48)℃。所以第一級直接利用的風機盤管供水溫度為(43～48)℃風機盤管在額定流量條件下，供水溫度為40～45℃時的溫降在5℃左右，并且熱泵的水源側最高入口溫度為35℃，因此，可初步確定風機盤管直接利用供暖部分為兩級。以WE120型熱泵為例，在負荷側回水溫度為43.3℃的條件下，熱泵的水源側溫降是隨著水源側入口水溫的降低而減小的。當水源側入口水溫為35℃時的溫降為5.2℃。同時要求WE120樣本提供的制熱量與經濟管理學院大樓辦公區的熱負荷匹配，應選用四臺WE120熱泵機組，串聯運行。由上分析，可初步確定系統共分為六級，其中，風機盤管直接利用為兩級，熱泵間接利用為四級。水系統共有三個循環水路組成：地熱水系統：地熱水從生產井取出，經水處理設備、板式換熱器回灌至回灌井。水源側水系統：水源側水經板式換熱器與地熱水交換熱量后，經過直接利用一、二級后，然后依次進入3～6級的熱泵水源側，最后回到板式換熱器，形成一個閉式水循環。負荷側水系統：3～6級四臺熱泵的負荷側水系統并聯，負荷側水匯合后送往供暖末端，然后回到熱泵負荷側，形成閉式水循環。負荷側水系統為二級泵系統：第一級為變頻泵，一用一備；第二級為五臺水泵，其中四臺水泵與熱泵機組一一對應，另一臺為備用泵。圖3-10系統供暖原理圖

2.夏季制冷系統的設計由于熱泵具有制冷功能，因此在方案設計過程中，也可以考慮充分發揮熱泵的作用，提高該系統的性能，在夏季為辦公樓制冷。由于熱泵自身的特性決定了它的制冷量小于制熱量。但是在北京，夏季的冷負荷大于冬季的熱負荷，這與熱泵的特性正好相反。為了不增加冷水機組，節約資金，就只能為部分房間提供制冷，而對于一些已經安裝空調的辦公區則不用提供制冷了。夏季制冷的冷源為校內建造的兩臺冷卻塔，同時在系統上應該做一定的改動。在冬季供暖的工況下，四臺熱泵的水源側是串聯運行；而在夏季的制冷工況下，應該將四臺熱泵的水源側轉變為并聯運行，同時應關斷地熱水，開啟冷卻塔及其水系統。圖3-11經管樓地熱梯級利用供暖系統的冬夏季總原理圖3.測試系統的設計為了測試整個系統的性能及系統控制、運行的需要，應該安裝許多測試儀器。測試的主要參數包括：溫度、流量、電量、壓力。(1)溫度T(℃)：溫度傳感器：鉑電阻式，測量水系統的溫度；棒式精密水銀溫度計：標準玻璃管水銀溫度計，精度℃。作為溫度傳感器的標定溫度計使用。溫度傳感器主要用于測量工程水系統的每個水循環、各級以及主要設備的供回水溫度。同時，為了檢驗系統運行的效果，在辦公樓大廳、部分房間都應該放置溫度傳感器。(2)水流量L(m3/h):插入式切向渦輪流量傳感器：單位m3/h，適用于測定流速為0.1～6m/s的水流量。主要測量地熱水流量W1、水源側水流量W2和負荷側水流量W3、W4。旋翼濕式遠傳熱水表：測試累積水量，通過自動檢測程序轉換為瞬時流量單位t/h。主要用于測量主要設備的旁通管水流量。(3)電量E(kWH)及電功率N(kW)：遠傳式電子式三相四線有功電度表：精度在以內。主要測量辦公樓地熱梯級利用系統的所有設備耗電量及電功率。4.控制系統的設計控制系統主要分為兩部分：室溫控制部分和機房控制部分。由于冬、夏季系統均采用風機盤管作為末端，所以其室溫控制手段是相同的。而對于機房控制部分，由于四臺熱泵的運行方式會因為季節的轉變而改變，部分控制參數會發生變化，這樣會導致控制系統有較大的變化。因此，對于機房控制部分應將冬季和夏季分開說明。(1)室溫控制部分：控制要求：調節、控制室內溫度達到設計要求。控制執行機構分為－風機盤管三速手動開關：風機盤管的送風風速共分為高、中、低三檔，用戶通過風機盤管三速手動開關調節送風量，控制制熱量，從而達到控制室溫的目的；自動關斷閥：在風機盤管回水管上安裝了自動關斷閥。由用戶使用溫度控制器設定室內溫度，溫度控制器可以根據室溫的變化自動調節風機盤管供水支管上的自動關斷閥開度，調節水量，從而達到控制室溫的目的。(2)機房控制部分(冬季)：負荷側供水溫度的控制：負荷側供水溫度的控制主要是通過控制熱泵的加/卸載達到目的。熱泵的加/卸載要求如下：在供暖季，不同室外氣溫要求的負荷側供水溫度不同，因此必須把室外氣溫分為幾個范圍，針對不同范圍的室外氣溫，給對應的負荷側供水溫度設定上限值和下限值。當控制熱泵的加/卸載時，首先判斷室外氣溫所處的溫度范圍，然后判斷負荷側供水溫度，當其大于等于對應設定的上限值時，卸載一臺熱泵；當其小于等于對應設定的下限值時，加載熱泵一臺。因為氣溫是不斷在變化的，所以以上條件由計算機控制程序每隔一段時間自動判斷一次。時間間隔設為兩小時。加/卸載熱泵的順序：在開啟熱泵前，應先啟動地熱水潛水泵、地熱水管道泵、水源側循環水泵。同時在程序中設定了不同的熱泵運行臺數對應的負荷側二級變頻泵開啟率。啟動相應的負荷側一級水泵，開啟負荷測二級變頻水泵至設定的開啟率，一分鐘后啟動熱泵4。然后開啟負荷側相應的電磁閥M6、M5、M4，三分鐘后，啟動對應的負荷側一級水泵，改變負荷側二級變頻水泵開啟率至相應值，最后啟動熱泵3、2、1。而卸載時，應先關閉熱泵1、2、3，再關閉對應的負荷側一級水泵，改變負荷側二級變頻水泵的開啟率至相應值，關閉對應的負荷側電磁閥M4、M5、M6。然后關閉熱泵4，再關閉相應的負荷側一級水泵、負荷側二級變頻水泵。地熱水尾水溫度控制：在地熱水供水管上安裝了電動閥M1，通過溫度的設置，可以調節電動閥M1的開度，調節地熱水量，最終達到控制地熱水尾水溫度的目的。由于同時開啟地熱泵臺數不同，對地熱尾水溫度的影響較大。因此應根據同時開啟熱泵臺數的不同給定不同地熱水尾水溫度設定值。熱泵冬季水源側入口溫度：由于熱泵冬季水源側入口溫度要求小于35℃，否則機組會停機保護。因此必須控制熱泵冬季水源側入口溫度。在熱泵1冬季水源側入口和熱泵4冬季水源側出口之間設置一旁通管，然后在旁通管上安裝電動閥M3和一臺管道泵，通過管道泵將熱泵4冬季水源側回水與熱泵1冬季水源側供水混合，達到降低熱泵冬季水源側入口溫度的目的。當熱泵冬季水源側入口溫度大于等于35℃時，開啟電動閥M3和旁通管水泵，將尾水混入熱泵1冬季水源側供水管，使供水溫度降低。當熱泵冬季水源側入口溫度小于等于33℃時，關閉旁通管水泵和電動閥M3。(3)機房控制部分(夏季)：負荷側的供水溫度：負荷側供水溫度的控制是通過控制熱泵的加/卸載達到目的。給定負荷側供水溫度夏季運行的上限與下限值，當其大于等于上限值時，加載熱泵一臺；當其小于等于下限值時，卸載熱泵一臺。熱泵加/卸載的順序與冬季控制要求相同。熱泵水源側供水溫度：熱泵水源側供水溫度的控制是通過對冷卻塔的加/卸載達到目的。同樣給定熱泵供水溫度設定的上限值與下限值。當熱泵水源側供水溫度大于等于上限值時，加載冷卻塔一臺；當熱泵水源側供水溫度小于等于下限值時，卸載冷卻塔一臺。以上條件同樣由計算機控制程序每隔兩小時自動判斷一次。地熱泵設備性能分析對于地熱水用于供暖的地熱梯級利用供暖系統，風機盤管和熱泵是最常用的兩種供暖設備。但由于地熱梯級利用供暖系統的特殊性，這兩種供暖設備的運行工況與設備額定工況并不一致，與一般的供暖、空調系統的運行工況也不完全一樣。在這種特殊工況下，設備的性能與梯級利用供暖系統的設計，尤其是級數的確定密切相關。在經管樓地熱供暖工程中使用的熱泵設備是美國ClimateMaster生產的WE120型水-水熱泵。對于用戶來說，熱泵最重要的性能參數便是COP值。其定義公式如下：

(3-1)上式中Q為熱泵的制熱量(KW)；

N為熱泵的輸入功率(KW)；

T為熱泵放出熱量時的溫度(℃)；

T為熱泵在吸收熱量后再排出熱量時的溫度之差(℃)。對于地熱梯級利用供暖系統的設計，熱泵的水源側溫降也是一個非常重要的技術指標。水源側溫降的大小會直接影響到系統的級數。COP值和水源側溫降與水源熱泵本身的設計特性和運行參數有關。熱泵的制熱量是隨著制冷劑蒸發溫度的升高而升高，隨著制冷劑冷凝溫度的降低也升高，但是制冷劑蒸發溫度對制熱量的影響遠大于制冷劑冷凝溫度對制熱量的影響。這點充分說明了蒸發器側(水源側)供回水溫度對制熱量的影響遠大于冷凝器側(負荷側)供回水溫度對制熱量的影響地熱梯級利用供暖系統的技術性能在推廣地熱梯級利用系統的過程中，必須解決兩個問題:第一就是系統的技術性能；第二就是系統的經濟性。技術性能的優勢一方面說明了地熱梯級利用系統的可行性，讓人們接受，另一方面可以為提高系統的經濟性提供良好的技術依據；而在目前的市場經濟社會，經濟性也是決定一種新事物能否得到推廣的關鍵性因素。5.系統的技術性能分析為了對系統進行技術性能分析，就必須在地熱中試機房進行實驗。因此研究人員在開啟一臺熱泵的條件下對該系統進行了技術性能的分析。整個實驗過程概述如下：（1）

實驗是在水源側水量和負荷側水量均恒定的條件下，僅通過手動調節地熱水側調節閥，測量不同地熱水量對應的系統性能參數；（2）數據采集是通過計算機采集和人工采集相結合完成的；（3）采集數據時間間隔為5分鐘，且數據是讓各個工況穩定后測得的。測試的穩定時間為2--3個小時，每個工況測試的時間是20分鐘；（4）復測是在初測的工況基礎上，再次降低地熱水量，使地熱尾水溫度進一步降低，測試系統的與初測時工況相近的3個點；6.地熱梯級利用供暖系統的經濟性經濟性主要包括兩個方面：前期投資運行費用下面主要通過與其他常用系統這兩方面的比較，來對地熱梯級利用供暖系統的經濟性做出評估。（1）前期投資比較通過計算地熱機房的總造價和辦公樓建筑面積總和，可以得出機房部分每平米造價，然后根據空調系統造價(室內末端)得出室內末端部分每平米造價，將兩者相加，最后得出地熱梯級利用系統的每平米造價。計算結果見表