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利用浅层地热能为农村供暖的优势

2018-12-12 01:54admin中国电力时空网

建筑物供暖、制冷对中国能源的总消耗相当高,其消耗能源的比例占到中国能源总消耗的11%左右。同时,建筑物供暖、制冷,对能源的要求非常低,只需要四五十度或五六十度的热源,就可以通过水循环方式保障居民的取暖要求。也就是说,建筑物的供暖、制冷对能源的品位要求非常低。

传统的为建筑物供暖的方式,最早使用的是燃烧煤炭的方式,包括散煤散户等。煤炭燃烧时可以产生数千大卡热量的高品位能源,使用燃煤供暖,造成了能源品位不对接的问题。非常优质的、本身可用于更为高端使用的能源形式,现实中却降低了使用效率。

煤炭是化石能源中的一种,是含有高发热量的高品位能源。在燃烧过程中,煤炭这个高品位的化石能源不可避免的产生了污染环境的废气——二氧化碳等。继而,因二氧化碳排放,又引起了全球气候变化等不容忽视的问题。

既然燃煤对大气的影响加剧,为控制和消减燃煤引起的大气污染,在建筑物供暖方面,人们首先想到利用对大气污染小一些的石油、或天然气作为替代的燃烧介质。

遗憾的是,人们并没有认识到建筑物供暖的根本问题。虽然相对煤炭而言,油气等化石能源确实对环境污染小一些,但油气的燃烧发热量比煤炭更高,虽然可稍微改善大气污染问题,但因能源品位比煤炭更高,亦造成能源品位矛盾更加突出,供暖能源匹配发生更大的差异。

浅层地热能为建筑物供暖,具有其他能源无法替代的优势

鉴于以上能源匹配的矛盾,为解决建筑物供暖本身对能源品位要求不高的需求,便诞生了热泵技术。热泵使用的资源形式多种多样,更重要的是,热泵能够使得热量由低温传递到高温。

空气源热泵是一种很重要的热泵取暖形式。空气源热泵利用空气作为吸热和换热的介质,具有随气候变化极大的特性。由于空气温度随气候变化而变化,夏天需要冷源的时候,空气温度相对较高,冬天需要热源的时候,空气温度又非常低,因而空气源热泵的供暖、制冷效率相对较低。

另外一种热泵采用地表水作为介质,可利用水体包括江、河、湖的水,以及生活污水,但与空气源热泵一样,存在随气候变化的问题,温度变化趋势正好与人们需要的同步变化,因而,供暖、制冷效率同样较低。

第三种热泵技术是利用地下热能,即利用恒温层地热作为介质。恒温层地热的温度变化非常小,基本上处于一年四季恒定的十五六度的温度。夏天需要冷源的时候,从恒温层抽取的地能温度比大气温度低很多,冬天需要热源的时候,从恒温层取得的温度又比大气温度高得多。从这个角度说,地源热泵是为建筑物供暖效率最高的一种热泵形式。

与此同时,地源热泵还具有耗电量小的特点。按照测算,地源热泵使用一度电,可搬运三度电产生的热能。也就是说,地源热泵使用一度电相当于产生了四度电才能产生的能量。

从能源品位的角度来说,地源热泵技术亦匹配供暖所用的能源对接。由于采用浅层地热能(埋深200米浅)这种能够稳定取得的能源介质,且可清洁再生的能源介质,地源热泵应该是目前最好的为建筑物供暖的形式,也具有其他能源无法替代的独特优势。

地能采集形式多样,自主研发技术具有独特优势

从能源采集角度来说,地热能源的采集在国内外主要以两种形式为主,其一是地源热泵,也就是U型管技术;其二是水源热泵。

地源热泵技术,可通过U型管水循环,管内水循环可吸取土壤当中传导的热量,为人们供暖所使用。因为传导热量有限,需要打井数量较多,对空间土地的占用较大,对城市的集中供热取暖方式受到限制。

水源热泵也有暂时无法解决的问题。由于水源提取后必然需要回灌,若长期采水无法回灌相应数量的水量,造成的“抽得多回灌少”势必会引起地下水系统的连锁反应,导致水动力场变异,地下水位下降。一旦水位持续下降,地热资源将失去可再生的特性。回灌还有另一个隐患,就是水质。水源热泵的回灌水质与地下水原生的水质不同,对地下水存在污染的风险。

水源热泵的回灌问题目前还没有更好的解决方法,无论是水动力场的变化、水质场的变化,均对地下水资源利用形成潜在风险,或引发地质灾害等问题。因而,水源热泵的进一步推广和应用,受到了制约。

除以上两种地下采集取热系统之外,我国还研发出了第三种技术——单井循环换热地能采集技术。这项技术是具有自主知识产权的,亦在美国获得了相关的发明专利。

单井循环换热地能采集技术具有效率高、打井少、占地少等独特优势。由于取用的水全部回灌,水资源的数量没有减少,相当于没有动用水资源。另外,其采用的封闭式循环子系统,经过取热之后,又经过封闭管道回灌到井下,对水质没有潜在威胁。

严格的说,单井循环换热地能采集技术并非对环境没有产生任何变化,但变化范围仅限于水的温度,且温度变化很小。温度变化本身是存在周期性的,如夏天温度高,冬天温度低,因而从多年周期来看,单井循环采热对于温度场不会产生大的改变。

有人提出,温度场变化引起微生物场变化的顾虑。在这个问题上,迄今尚没有相关监测数据作为支持。从当前对水质的监测来看,尚未发现单井循环换热地能采集技术对水质产生污染情况。

目前来看,单井循环换热地能采集技术为我国建筑物供暖、制冷提供了另一种地热采集的方式。

浅层地热能可替代农村散煤散户供暖方式

在减少大气污染的压力之下,解决散户供暖问题,成为各级政府非常头疼的问题,也是社会意义重大的问题。散煤燃烧具有燃烧不完全,和低空排放的特点,对大气污染贡献加重;散户具有分散的特性,管理是个难题。

现实是,我国仍有一些偏远的山区,经过数十年很艰难的实现了通电,但燃气等管道还没有铺设。他们在冬季取暖只能采用烧散煤的方式解决。新能源的利用,对农村解决供暖问题提供了新的解决方案。

以往太阳能、风能等新能源被看做是可能替代燃煤供热的技术方向。然而,太阳能依赖于阳光,风能则依赖于风力,当气候因素导致没有阳光和风力时,这两种新能源便受到了制约,无法使用。利用太阳能和风能作为独门独户的取暖能源,亦需要面临储能的问题。由于太阳能、风能对气候表现的依赖,并不能稳定的实现供能,加之储集技术的不成熟,这两种能源在农村供暖应用中,存在一定的劣势。

相对而言,浅层地热能的利用,在解决散煤散户问题上,具有得天独厚的优势。恒有源公司发明的地能热宝形式,可用于独门独户使用,造价不十分高,通过政府补贴,居民可以承受。假若,企业连片布局使用,对成本会进一步降低。居民、政府、企业三方努力下,利用地能热宝解决农村散户供热、制冷问题,同时解决大气污染中的排放问题,是非常有前景的。

地能热宝还具有另外一些优势。比如其本身具有一定技术含量。埋深相对浅,可能随着温度的变化而影响发热效率,但是地能热宝采用了独特的技术,使得外部气温变化不影响自身发热,在水文地质条件允许的情况下,在优化设计的基础上,根据以往运行的经验,地能热宝在农村的利用前景广阔。

除了没有污染、对土壤、大气不产生次生危害之外,地能热宝还有一个更重要的优势,即分布式管理运行方式。与传统散煤供热相比,分布式供暖在管理模式上发生了很大变化。燃煤炉一旦燃烧,供暖覆盖所有房间。分布式供暖如同分布式空调系统一样,当某个房间不需要供热时,可将其供暖开关关掉,需要供暖时再开启。

建筑物供暖之外,农村经济的发展或产业结构的调整也需要能源。如果将浅层地热能作为散户的能源使用,从节能减排方面可取得较好的效果。至于洗浴产业、蔬菜大棚等经济发展中对浅层地热能源的利用,需要经过测算,如经济效益对比其他能源呈现出良好效益,也可作为其他经济运行形式调整能源的优选方向。对比太阳能、风能等其他新能源技术,地热技术的实际普及率相对更低。主要原因是,人们对于地热技术的了解和理解还不够。地热技术的应用机理相对复杂一些,理解难度相对较大一些,需要加强科普宣传,老百姓才能认识地热技术,从原理、节能减排、和稳定性上都具有得天独厚的优势。那么,地热技术亦理所当然是有发展前景的。