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基于地热能的供暖和制冷技术探析

来源:原创论文网 添加时间:2021-11-09

  摘    要: 随着人类对可再生能源需求的增加,能源问题已经成为了当下我国经济发展过程当中的关键性问题。“双碳”目标下,地热能的规模化开发利用势在必行。基于此,本文主要从我国当前时代发展背景下的能源现状来出发,对怎样能够利用“地热+”来达到建筑节能的目的进行分析和探讨,并且也分析了如何实现一机多用,使其不断以清洁的地热能供暖之外,还能够将其应用在地热能制冷供给当中。

  关键词 :    地热能;地热供暖;地热制冷;建筑节能;

  0 、引言

  能源安全以及气候变化是人类面临的全球性问题,随着各国二氧化碳排放,温室气体猛增,对生命系统形成威胁。在这一背景下,世界各国以全球协约的方式减排温室气体,我国由此提出碳达峰和碳中和目标。“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”实现“双碳”目标,必须掌握先进的低碳技术和低碳发展能力,构建绿色低碳循环发展的经济体系,这既是现代化国家的一个重要标志,也是大国核心竞争力和影响力的体现。由此,建立清洁低碳安全高效的能源体系势在必行。积极开发利用地热能对缓解能源资源压力、实现非化石能源目标、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。

  1、 地热能源

  地热能是蕴藏在地球内部的热能,是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源。地热能开发利用具有供能持续稳定、高效循环利用、可再生的特点。可减少温室气体排放,改善生态环境。地热资源分布广泛、储量巨大,特别是中深层地热资源。据估算我国中深层地热储量相当于51.6万亿t标准煤,按2%可开采率计算,相当于我国目前能源耗量的312倍。地热能在未来清洁能源发展中占重要地位,有望成为能源结构转型的新方向。

  地热资源通常被分为浅层(0~200 m)、中深层(200~3000 m)和超深层(大于3000 m);相应的采热技术分别为地源热泵技术、水热型开发利用技术、深井换热型开发利用技术和以人工造储为特征的干热岩开采技术。水热型地热资源,按照温度,又可以分为低温地热资源(25℃<t<90℃)、中温地热资源(90℃<t<150℃)和高温地热资源(大于150℃)三类,本文重点探讨的是低温水热型地热资源在建筑节能降耗当中的有效应用。

  就当前的情况来看,我国建筑能耗在能耗的总占比逐年大幅度的提升,建筑能耗成为了能源消耗当中的重点部分。而对于建筑能耗当中,其中的两个部分对能源消耗量是特别大的,分别是冬季供暖以及夏季制冷。如果能够直接进行就地取材,利用地下的地热能来进行制冷以及供热,那么便能够很大程度缓解我国当下在能源方面所面临的压力。另外,地热能是当前非常典型的绿色环保可再生能源,对其的应用不会对生态环境造成任何的影响或者是破坏,这对于解决我国当下逐渐加重的能源危机来说具有积极的意义。

  2 、地热制冷

  对于夏季的建筑物来说,其主要的能源消耗都在空调制冷方面,要想能够有效地解决这一方面的问题,就一定要进行地源热泵的合理有效应用。地源热泵技术以地表或地下土壤/水体主要作为较低位置的热源,在夏季时可以把室内的热量吸收,从而通过释放到地下的水源以及土壤中,所以此时的地能称为“冷源”。并且将地能中的热量取出来时,这种方法主要在冬季运用热泵这一工具,提升室内温度,后供给室内的主要采暖,所以此时的地能为“热源”。这种高效热泵能够实现制冷或者是供热的节能高效系统装置,并且主要运作方式是通过输入一些少量的电能源,就能通过从低温位置向高温位置转换能量的目的。其道理就如同从低处到高处,把水源转移一样,利用热泵就可以把一部分的热量从低温位置吸取到高温位置,它的实质上就是一种提升热量的具体装置,它本身需要消耗一部分能量才能够运作,并且能够将环境中储存的能量及时挖掘出来,提高其位置的温度,能够进行正面利用,而且整个的热泵装置需要消耗的能量以及功会比供热量更低,这也能够有效体现出热泵的节能性。
 

基于地热能的供暖和制冷技术探析
 

  利用地源热泵技术便能够有效地实现对地下浅层地热资源的有效利用,这样除了能够满足建筑物的供暖需求以及热水需求之外,还能够实现建筑物的制冷,使建筑取暖、生活用水以及制冷能够同步实现,水源热泵的驱动需要借助外界的能量输入,这便需要消耗相应的高品位能源,而对于电能的获取,可以利用太阳能以及蓄电池的有效配合,然后再利用逆变器来完成地源热泵的供电工作,但是太阳能存在一定的不稳定性以及不连续性,所以对于水源热泵的应用还是需要应用到常规的电能辅助。此外,传统地源热泵技术存在冷热堆积问题,特别是土壤源热泵技术,是将土壤作为一个跨季节大型蓄热体。其不能无限制的提取能量,应该做好充分的设计核算,夏灌冬取,维持全年平衡,使能源系统能效维持在理想范围。对于浅层地埋管换热器,使用时应做好全年负荷平衡和动态模拟;对于深层地埋管换热器,建议实行供暖季工作,非供暖季恢复的间歇运行方式,必要时考虑设置补热措施。

  浅层地热主要采用地源热泵系统达到制冷目的,其实深层地热能亦可用于制冷。根据地热储层温度分类,可以将低温地热资源分为热水、温热水以及温水三类。对应的地热资源可分别用于采暖、制冷、理疗、洗浴、烘干、温室、养殖、农业灌溉等,多种利用方式大多在冬季使用,夏季几乎不开发利用,造成资源的闲置浪费。在传统的地热综合开发利用系统中可增加设置热水型溴化锂冷水机组,夏季利用中温地热水作为驱动热水,以热水型溴化锂冷水机组配置冷却塔作为制冷系统;冬季利用中温地热水作为热源,以各级换热器和热泵机组作为供热系统。利用冬夏采暖制冷不同负荷需求高效利用地热资源,有效减少煤、电及天然气等不可再生能源的使用。

  地热水驱动热水型溴化锂冷水机组制冷原理为地热开采井中地热原水经地热管道输送至换热器来达到提取热量的目的,并且能够作为热水型溴化锂机组的主要驱动热源。其机组内部主要吸收剂为溴化锂水溶液,并且其中的制冷剂是运用水在高温高空状态下沸点较低,进行气化能够与溴化锂水溶液之间形成一定程度上的压力差,能够吸收空气中的水蒸气成为稀溶液,运送至发生器内,将地热换热后的热水作为主要的动力源,能够对其稀溶液进行加热工作,将其浓缩成浓溶液,并且在这一工作同时产生其冷剂蒸汽。并且这一冷剂蒸汽能够在冷凝器中有冷却水,将其热带走吸收。热机组外制冷循环是由溴化锂水溶液在机组内进行由稀变浓再变稀以及冷剂水由液态变气态再变液态的循环进行周而复始的工作。通过地热能综合利用系统实现供暖以及制冷,系统运行不需要投入过多的费用,其结构也不是很复杂,并且还能够采用一机多用的方式来达到热暖以及空调制冷的目的。将地热能作为主要能源的供暖制冷技术和传统的中央空调相比,其能源消耗更低,可以节能达到70%以上。系统具有夏季地热制冷、冬季地热梯级利用供热,热泵机组冬夏两用,避免清洁低碳的可再生能源与资产的闲置,实现经济与环保共赢,最大化利用清洁可靠的地热资源。

  3 、结语

  综上所述,在我国能源结构战略调整以及热泵技术不断优化和完善的背景下,深层地热能的应用已经成为当下倍受关注并且获得积极开发以及利用的一种新型清洁能源。在区域规模化的开发应用中,必须做好地热资源量、地热资源可开采量、地热流体储存量、地热流体可开采量、地热流体可开采热量以及在回灌条件下地热流体可开采量的核查工作。相信在不久的将来,我国对于地热能供暖制冷技术的应用效率会越来越高,实现我国能源的可持续发展。

  参考文献

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