上海市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)的可行性和應(yīng)用技術(shù)

1、上海市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)的可行性和應(yīng)用技術(shù)092712 黃兵姚一、摘要：淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深）,溫度低于25C ,在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的地球熱能資源，是一種可持續(xù)開發(fā)的能源, 它的開發(fā)和利用在建筑供暖（冷）行業(yè)中具有舉足輕重的作用。上海市的能源緊缺, 為解決這個(gè)問題一個(gè)重要的方面就是要利用可再生、環(huán)保、 經(jīng)濟(jì)型能源。 淺層地?zé)崮鼙就粱?, 不需運(yùn)輸 ,容易取得 , 可持續(xù)利用 , 是上海地區(qū)重要的可再生資源。 本文通過分析該領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀 指明了上海地區(qū)發(fā)展淺層地?zé)崮艿乃悸泛头椒ā?結(jié)合上海地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、 氣候特點(diǎn)以及地 下水情況

2、 , 對(duì)該能源在上海地區(qū)的可行性和開發(fā)運(yùn)用做出論證?！娟P(guān)鍵詞】 淺層地?zé)崮埽?節(jié)能； 綠色能源二、引言：我國能源生產(chǎn)的增長(zhǎng)速度， 遠(yuǎn)低于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長(zhǎng)速度， 能源的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。加之上海市能源緊張。 電能，天然氣不能滿足城市需求。而淺層地?zé)?能恰恰是一種清潔、價(jià)廉、豐富的新興能源，能夠彌補(bǔ)能源的不足。三、正文：1上海市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)的可行性論證：淺層地?zé)崮苁且环N可再生的新型環(huán)保能源， 也是一種特殊礦產(chǎn)資源， 利用前景廣闊。 開 發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?duì)構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、 保障國家能源安全、 改善我國現(xiàn)有 能源結(jié)構(gòu)、 促進(jìn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有非常重

3、要的意義。 有助于改善上海市的能 源緊張情況和促進(jìn)上海市實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部貯存的熱能 , 它包括地球深層由地球本身放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能 及地球淺層由接收太陽能而產(chǎn)生的熱能。前者以地下熱水和水蒸氣的形式出現(xiàn), 溫度較高 ,主要用于發(fā)電、供暖等生產(chǎn)生活目的 , 其技術(shù)已基本成熟 , 歐美國家有很多用于發(fā)電 , 我國則 多用來直接供熱 , 這種地?zé)崮芷肺惠^高 , 但受地理環(huán)境及開采技術(shù)與成本的影響因而受限較 大 ; 后者由太陽能轉(zhuǎn)換而來 , 蘊(yùn)藏在地球表面淺層的土壤中 , 溫度較低 , 但開采成本和技術(shù)相 對(duì)也低 , 且不受地理環(huán)境的影響 , 特別適合于建筑物的供暖與制冷 ,

4、因而受到了暖通空調(diào)及節(jié) 能行業(yè)越來越多的關(guān)注。地球表面是一座巨大的天然太陽能集熱器和儲(chǔ)熱庫。 到達(dá)地球表面的太陽能相當(dāng)于全世 界能源消耗量的 2000 倍 , 只是由于太陽能能流密度低 , 地球表面的溫度變化大 , 使得對(duì)這部 分熱能的直接利用困難較多。但實(shí)際上 , 溫度受天氣變化影響較大的部分主要集中在地表面 至地下10m之間的區(qū)域內(nèi)，從10m深度再往下，大地溫度就穩(wěn)定在當(dāng)?shù)厝甑钠骄鶜鉁厣狭?。我國大部分地區(qū)這個(gè)溫度都在15C左右，如果把這樣的溫度搬運(yùn)到地面上來稍做處理，就可成為很好的空調(diào)系統(tǒng) ， 這就是目前淺層地?zé)崮芾玫闹饕绞?。淺層地?zé)崮芾猛ǔＰ杞柚跓岜?， 它是一項(xiàng)新興綠色節(jié)能技

5、術(shù)。在冬天它以大地為低 溫位熱源 ， 從大地中提取熱量 ， 經(jīng)過地面上熱泵的轉(zhuǎn)換 ， 提高溫位向房屋供暖 ; 在夏天則以大 地為高溫位熱源 ， 將房屋內(nèi)的熱量輸送到大地土壤中。由于地下溫度十分穩(wěn)定且很接近房屋 居住所需的溫度 ，因此，相對(duì)于以大氣環(huán)境為熱源的熱泵和燃煤、燃油的供暖供冷系統(tǒng)，以大地為提取熱量或排放熱量的熱源的熱泵效率大大提高 ，同時(shí)還減少了燃燒產(chǎn)物的排放和制冷 劑的用量 ，對(duì)環(huán)保十分有利。從大地土壤中提取熱量用于房屋的供暖早在 20世紀(jì) 30年代就已提出 , 只是由于長(zhǎng)期以 來石化燃料價(jià)格低廉 ,供應(yīng)充足 ,它才沒有得到重視 ,導(dǎo)致其進(jìn)展緩慢。到 20 世紀(jì) 80 年代以 后,

6、由于全球性能源緊張和環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻 , 這項(xiàng)技術(shù)才逐漸受到青睞 , 目前已趨于成熟 , 正在歐洲、北美和日本得到推廣應(yīng)用。從地理?xiàng)l件看，淺層地能供暖既可以用于海拔 4000 米以上的青藏高原，也可以用于氣候嚴(yán) 寒的東北， 在我國各個(gè)地區(qū)都可以發(fā)揮節(jié)能環(huán)保的作用。 從建筑類型看， 淺層地能供暖現(xiàn)已 廣泛應(yīng)用于辦公、賓館、學(xué)校、醫(yī)院、營房、住宅、工廠等。隨著社會(huì)對(duì)這一供暖方式的接 受，預(yù)計(jì)今后淺層地?zé)崮芄┡评涞哪晔褂妹娣e還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。上海市位于長(zhǎng)江三角洲入海口東南前緣，面積約6340.5K m2,成陸較晚，除西南部有高出數(shù)十米至近百米的零星殘丘陵外，全區(qū)地勢(shì)平坦.境內(nèi)地面標(biāo)高(吳淞高程)大多

7、在3.54.5M 之間。巖隱伏在第四系松散沉積物之下。上海地區(qū)第四紀(jì)地層十分發(fā)育，除西部、西 南部剝蝕丘陵有基巖隆起出露外，其余地區(qū)均有第四紀(jì)地層覆蓋，厚度一般介于200320M之間，西南較薄，為 100250M,向東北增厚至 300400M。上海地區(qū)內(nèi)多屬于軟土地區(qū)， 土壤源熱泵空調(diào)地埋管施工成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的地?zé)崂碚摚瑢⒌貙訌纳系较路譃樽儨貙?、恒溫層?增溫層。 根據(jù)上海地礦徐劍斌 等人在浦東、浦西5個(gè)100M深測(cè)溫孔共12次實(shí)地地溫測(cè)試記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，上海地區(qū)地下100 M以淺層溫度相對(duì)穩(wěn)定，土壤平均溫度約17C左右，有利于熱泵空調(diào)換熱器工作。溫度隨地下深度變化：1) 0

8、10M溫度在13.317.6 C,溫度受氣候影響，溫度變化大，為變溫帶。由于氣溫對(duì)淺層地溫的影響。測(cè)試地區(qū)變溫層在010M,左右，受季節(jié)氣溫影響較大。2) 1020M溫度在17.117.6 C,溫度基本不受氣候影響，稱之恒溫帶。3) 20100M,溫度在17.620.55 C,隨深度增加而溫度增加。 上海瀕江臨海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，呈現(xiàn)季風(fēng)性、海洋性氣候特征。冬夏寒暑交替，四季分明，春秋較冬夏較長(zhǎng)。主要?dú)夂蛱卣魇牵捍禾炫停募狙谉?、秋天涼爽，冬季陰冷；全年雨量適中，年 60%右和雨量集中在 59月的汛期，年平均降水量1119.1 mm,年蒸發(fā)量882.4 mm；年平均日照1400h。由于上海

9、城區(qū)面積大、人口密集，使上海城市氣候具有明顯的城市熱島效應(yīng)。全年平均氣溫15.8 C, 1月最冷平均為3.6 C, 7月最熱為27.8 C。在冬季,淺層地表溫度高于平均氣溫,夏季,淺層地表溫度低于平均氣溫。且適宜使用熱泵。 上海地下水系統(tǒng)水位適合使用水流熱泵。 各水質(zhì)層間的流通性不大。 不易形成污染擴(kuò)散。 在 做好地下水回灌的情況下,上海的地下水適宜于開發(fā)淺層地?zé)崮堋?上海市淺層地?zé)崮芾孟到y(tǒng)及其特點(diǎn)： 21 地?zé)崮軣岜玫責(zé)崮軣岜玫墓ぷ髟恚号c通常的熱泵相同 ， 都是由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置組成。通過消耗一部分 高品質(zhì)能源即電能 ， 吸收低溫物體的熱能排放給高溫物體 ， 實(shí)現(xiàn)供熱和制

10、冷的目的 ， 其熱泵示 意圖如圖 1 所示。只是通常的熱泵以大氣環(huán)境為其吸熱或放熱的熱源 ， 大氣溫度的劇烈變化 導(dǎo)致常規(guī)的熱泵效率低下 ， 不僅消耗大量高質(zhì)能源 ， 而且惡化了周圍的環(huán)境溫度 ， 使得夏天更 熱， 冬天更冷。與常規(guī)熱泵不同 ， 淺層地?zé)崮軣岜靡越乇韺油寥罏槠湮諢崃炕蚺欧艧崃康臒嵩?。?冬天 ， 地?zé)崮軣岜脧耐寥乐形崃?， 供給熱泵的蒸發(fā)器 ， 經(jīng)壓縮機(jī)提高溫度后 ， 傳到熱泵的 冷凝器，向房屋供熱 ;在夏天，地?zé)崮軣岜猛ㄟ^其蒸發(fā)器從房屋內(nèi)吸收熱量 ，經(jīng)壓縮機(jī)、冷凝器 而排放到土壤中。因?yàn)橥寥罍囟热昊揪S持不變 ，熱泵系統(tǒng)的操作可以設(shè)計(jì)得十分精確 ， 使得工作穩(wěn)定而高

11、效。地?zé)崮軣岜每梢院苄?，單個(gè)住戶只需一套熱泵 ;也可以很大 ，商業(yè)上可采用多套或多級(jí)熱 泵，唯一的要求是需要足夠的土地 ，使熱交換能夠充分進(jìn)行 ，最節(jié)約的方式是在建筑施工的起始階段就安裝地?zé)崮軣岜?, 這樣, 房屋結(jié)構(gòu)就不會(huì)阻礙熱泵與地下熱源的聯(lián)系。地?zé)崮軣岜靡源蟮貫槲栈蚺欧艧崃康臒嵩?,在有地下水源的地方 , 不需要專門的地下?lián)Q熱器 ,可以直 接抽取地下水 , 經(jīng)過去除雜質(zhì)的處理后 , 根據(jù)供暖或制冷的目的 , 送給熱泵的蒸發(fā)器或冷凝器 完成熱量交換后回灌到地下或排放到別的地方。 在沒有水源的地方 , 熱泵要與土壤交換熱量 , 就需要設(shè)置專門的地下?lián)Q熱器。所以 , 在結(jié)構(gòu)上它與常規(guī)熱泵最

12、大的不同就是需要一套地?zé)?換熱器。2.2 地?zé)釗Q熱器 地?zé)釗Q熱器的性能與當(dāng)?shù)赝寥赖男阅苊芮邢嚓P(guān) , 它設(shè)計(jì)得合理與否直接影響地?zé)崂眯?率和投資成本 , 是地?zé)岜贸晒?yīng)用的前提 , 也是當(dāng)前淺層地?zé)崂眉夹g(shù)推廣的難點(diǎn)。 淺層地?zé)崮軣岜盟玫責(zé)釗Q熱器就是在地面下埋設(shè)的封閉管道回路, 這些管路通常由高密度聚氯乙烯或聚丁烯塑料管組成 , 用泵將換熱介質(zhì)送入這些地下管道與地下土壤進(jìn)行熱量交換 然后回到地面與熱泵進(jìn)行換熱 ,換熱介質(zhì)通常為水的鹽溶液 ,封閉在管路系統(tǒng) , 在地面上的熱 泵與地下?lián)Q熱器之間循環(huán)流動(dòng) , 完成換熱任務(wù)。 地下管道埋設(shè)方式有水平式和垂直式兩種形式。水平埋管式通常淺層埋設(shè) , 工

13、程量大而開挖 技術(shù)要求不高 , 初投資低于豎直埋管式 ; 缺點(diǎn)是占地面積大 , 溫度穩(wěn)定性也較差 , 現(xiàn)在已很少 采用。豎直埋管式工程量小 , 占地面積少 , 恒溫效果好 ,維護(hù)費(fèi)用少 , 適合于用地緊張的城市 ; 缺點(diǎn)是技術(shù)要求較高 , 初投資較大。豎直埋管式地?zé)釗Q熱器目前應(yīng)用較多 , 發(fā)展較快。 它是在地面下豎直鉆孔 , 在孔內(nèi)埋入換 熱管,換熱管的形式又有兩種:U型管式（見圖2）和套管式，目前以U型管應(yīng)用較多。地下鉆孔 的孔徑一般為 100150mm孔間距和深度取決于土壤的熱性質(zhì)和氣象條件并隨地理位置而 變。孔深一般為100300m,孔間距為410m,鉆孔總長(zhǎng)度由建筑面積的大小而定，一般

14、是每平米建筑面積鉆孔長(zhǎng)度 1m左右。每一豎直鉆孔內(nèi)可放入一組或兩組U型塑料管，管徑2535mm塑料管下端用 U型接頭接好,形成一個(gè)U型封閉管路。然后將鉆孔與管道之間的空間填埋夯實(shí)，填埋材料可以采用當(dāng)?shù)赝寥?, 也可以選用與當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)接近的混凝土。 各鉆孔內(nèi) , 管道之間的連接方式有串聯(lián)和 并聯(lián)兩種形式。串聯(lián)形式就是換熱介質(zhì)依次流過每個(gè)鉆孔內(nèi)的 U 型換熱管路之后再回到地面與熱泵的 制冷劑進(jìn)行熱量交換。并聯(lián)形式就是換熱介質(zhì)同時(shí)分配到地下各個(gè)鉆孔內(nèi)的換熱管路,與土壤交換熱量后 , 同時(shí)流回地面進(jìn)入地面上的熱泵與制冷劑交換熱量 , 這兩種方式各有利弊。 串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是 :單一流程和管徑 ;管道的

15、線性長(zhǎng)度有較高的熱性能 ;系統(tǒng)的空氣和廢渣易 于排除。缺點(diǎn)是 : 需要較大的流體體積和較多的抗凍劑 ; 管道費(fèi)用和安裝費(fèi)用較高 ;長(zhǎng)度壓降 特性限制了系統(tǒng)的能力。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是 : 管徑較小因而管道費(fèi)用較少 ; 抗凍劑用量較少 ; 安裝費(fèi)用較低。缺點(diǎn) 是:一定要保證系統(tǒng)的空氣和廢渣的排除 ;在保證等長(zhǎng)度環(huán)路下 ,每個(gè)并聯(lián)線路之間流量要保 持平衡。2.3 經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性地?zé)崮軣岜玫哪茉蠢眯时韧ǔ５臒岜锰岣?5%70%通常每消耗1kW的功率可得到4kW的熱量或冷量。 地?zé)崮軣岜玫耐顿Y回收期依賴于熱泵系統(tǒng)的大小、 運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短和當(dāng)?shù)氐哪?源價(jià)格 , 因設(shè)置地?zé)崮軣岜枚嗤顿Y的費(fèi)用的回收期通常為5 年左右 , 總的投資回收期為10 14 年。由于以大地土壤中的低品位熱能為低溫?zé)嵩?, 所以 , 在為住宅供暖制冷時(shí) , 僅需驅(qū)動(dòng)熱泵 運(yùn)行的電力供