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                    首頁 >> 院務新聞 >> 工程案例解析“地熱+太陽能光熱”供熱技術

                    工程案例解析“地熱+太陽能光熱”供熱技術

                    創建時間:2020-04-09  |  瀏覽量:255次
                    近日,作為“第十六屆清華大學建筑節能學術周”活動的專題會議,清華大學建筑學院組織召開了“太陽能光熱利用技術云端研討會”。會議上,甘肅省建材科研設計院有限責任公司甘肅省綠色建筑技術重點實驗室田斌守副總工程師介紹了“太陽能光熱及中深層地熱供暖技術”。他用甘肅省建材科研設計院建成運行的實際工程案例分析了“地熱+太陽能光熱”互補供暖技術,透露了工程投資和運行成本等經濟性數據。整理如下,以供參考。
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                    地熱+太陽能互補供熱示范工程

                    2017年12月15日,由甘肅省建材科研設計院、中國科學院電工研究所等五家單位合作建設的國內首個“地熱+太陽能”互補供暖示范工程在蘭州市建成投入運行。該工程集成中深層地巖熱利用、太陽能熱利用及跨季節儲熱等技術,可規?;?、低成本、連續穩定利用可再生能源進行清潔能源供暖。經初步運行測評,該工程可滿足1.5萬-2萬㎡節能建筑的供暖需求,工程投資折算為每平方米供暖面積230元-250元;每月運行成本約為1.9元/(月?㎡),還可根據需要形成3萬、5萬、10萬平方米的供熱(制冷)工程化模塊。

                    圖:示范工程
                    該項目建有地熱換熱井1口,深度為2500m,配套太陽能系統為停車場與集熱場一體化實現土地高效利用,集熱面積202㎡,12個標準停車位。
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                    通過測試數據顯示:地巖熱與太陽能互補供熱系統,供水端最高溫度51.3℃、回水端最高溫度38℃,溫差13.3℃。供水端平均溫度45℃、回水端平均溫度35.1℃,溫差9.9℃。
                    由統計數據分析可看出:供暖季系統累計供熱量為418687 kW?h,系統累計耗電量81661.3 kW?h,整個供暖季系統COP為5.2。整個供暖季采用地巖熱井直供期間,地巖熱井累計供熱量約170914 kW?h,供熱占比為40.82%。
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                    地熱+在校園供暖工程中的應用

                    1、校園供暖系統的特點
                    校園工程的供暖系統與學校的作息時間相關,負荷變化較大;對于無住宿要求的學校,一周5天供暖,且學生放學后晚上不供暖;最寒冷時期,學校放寒假,也無需供暖;即“三不供”,因此可以設計為在非供暖期間,系統達到防凍要求即可。
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                    2、示范工程基本情況
                    該項目位于甘肅省定西市通渭縣平襄鎮,屬于嚴寒C區,年均氣溫5.7~7.7℃。小學附屬一個幼兒園,總建筑面積14697㎡。由于學校地處縣城郊區,周邊沒有市政集中供熱管網。為實現冬季正常采暖,本工程項目利用中深層地巖熱技術供暖。
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                    3、建設過程回顧
                    (1)從開工至成井、安裝換熱管道約30天時間。
                    (2)打井工作完成后,委托中國科學院地質與地球物理研究所對井溫、地溫梯度分布情況,進行了現場測試。

                    圖:井深-井溫分布曲線
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                    (3)井底溫度達到69.5℃,換熱段平均地溫梯度約7℃/hm。實際結果優于最初的設計條件。
                    (4)2019-2020年度采暖季運行概況:
                    圖:中深層地巖熱供暖工程機房、換熱井
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                    ◎?換熱井出水溫度39-51℃,供回水溫差11.5-18.2℃。日換熱量4270 kWh。

                    ◎?在地熱井直供狀態下,供暖成本約0.08-0.1元/(㎡·月)。
                    ◎?供暖季還未結束后,整個采暖季的供暖成本還沒有出來,預測在1.5元/(㎡·月)-1.8元/(㎡·月)
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                    從以上兩個典型案例可以看出,工程投資折算為每平方米供暖面積230元-250元、運行成本低于2.5元/(月?㎡)的建筑供熱;“三不供”學校的整個采暖季的供暖成本在1.5元/(㎡·月)-1.8元/(㎡·月),在經濟上是可行的。那么技術上要如何實現呢?
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                    中深層地巖熱供熱技術

                    太陽能雖然總量大、具有普遍性,但其能量密度低,不穩定不連續,故而在太陽能供熱技術中,存著太陽能供給與熱負荷之間存在季節性不平衡的矛盾。
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                    地熱能主要源自地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變,以地熱形式存儲于巖石、土壤、地下水和氣體中,是一種綠色低碳的可再生能源,運用地熱能最簡單和最合乎成本效益的方法,就是直接取用這些熱源。

                    圖:地巖熱賦存情況?

                    圖:目前開發地熱的幾種技術
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                    1、淺層土壤源熱泵
                    該技術是利用地下土壤溫度相對穩定的特性,通過深埋于建筑物周圍的管路系統與建筑物內部完成熱交換。

                    利用方式是冬季從土壤中取熱,向建筑物供暖;夏季向土壤排熱,為建筑物制冷。在200m以淺,恒溫層熱匯平衡是這種技術長期有效利用的關鍵。
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                    2. 水源熱泵
                    水源熱泵是利用地下熱水,采用熱泵技術,實現低位熱能向高位熱能轉移。

                    利用方式是則從水源中提取能量,利用熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中,為建筑物供暖。
                    技術的缺點是地下熱水不具普遍性,存在回灌困難,地基下陷,地下水源污染的潛在風險。
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                    3. 干熱巖
                    干熱巖也稱增強型地熱系統(EGS),是一般溫度大于200℃,埋深數千米(約3000m以上),內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

                    像新聞報道中的青海共和干熱巖項目就是在3705m處井底溫度為236℃、2800~3705m井段地溫梯度大于80℃/km 的高品質干熱巖。
                    其特點是優質資源,不具普遍性。
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                    地熱為巨量的清潔能源,而地下熱水為不可再生的資源。所以,開發利用中深層巖熱資源,只有“取熱不取水”才具有可持續發展的開發理念?!澳壳爸猩顚訋r熱資源開發,主要采用的是中深層地熱供暖技術,其基本原理是:向地下一定深處巖層鉆孔,在鉆孔中安裝一種封閉循環的熱交換設備——深層換熱器,通過專用設備系統向地面建筑物供熱??蓮V泛應用于建筑供暖、工農業生產、農產品加工、食品加工、工業干燥等。比如北方設施農業的大棚供暖均可以實現?!碧锉笫亟榻B道。

                    圖:系統組成
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                    中國工程院徐德龍院士團隊認為:地下4000m以內、半徑250m以內區域蘊藏著豐富的熱能,巖層溫度降低1℃可釋放1.48′109MJ熱量,可為10萬㎡小區供暖30年。對于4000m的換熱井,其采熱影響半徑小于15m,經過6個月的恢復,地下巖層溫度能夠完全復原。
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                    圖:熱影響半徑

                    圖:地溫恢復情況
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                    上海交通大學代彥軍教授團隊研究認為:換熱井不同深度熱影響半徑不同,最低處熱影響半徑為8m。在采暖季結束后90天內地溫基本恢復,120天全程恢復。
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                    據測算:中深層地巖熱供暖系統簡單——換熱井+機組,可實現無人值守;單口換熱井(約2500m)可滿足1.5萬~2萬㎡的節能建筑的供暖需求;供暖成本低于2.5元/(㎡·月)?,但其瓶頸是初始投資略高。
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                    地熱+太陽能互補供熱技術

                    基于中深層地巖熱和太陽能光熱技術的各自優勢和局限性,將兩種能源聯合應用,形成互補供熱的技術和系統,即:中深層地巖熱太陽能互補供熱技術。
                    系統設計出發點:1、供暖季可采用地巖熱與太陽能聯合供熱;2、非采暖季可將豐富的太陽能以熱能的形式儲存于地巖熱井,進行跨季儲熱;3、實現太陽能光熱系統的年利用率最大化,投資效益的最大化。
                    系統的特點是:綜合了兩種可再生清潔能源的優勢,既克服了太陽能季節不平衡性和不連續性,又融合了地巖熱安全穩定、簡便靈活的優勢,提高資源利用率的同時降低了運行成本,同時無任何污染和排放。

                    “地巖熱—太陽能”互補供熱系統運行原理圖
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                    根據不同的條件,建成的示范系統具有6種不同的運行模式,分別為:
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                    研發和實踐發現,“中深層地巖熱-太陽能互補供熱技術”是綠色低碳的供熱技術,可靠且能實現連續穩定供熱,操作簡便、不受地域條件限制、對自然環境干擾甚微,經濟可行。這為北方地區冬季清潔取暖、能源結構調整、生態環境保護等工作提供了新的參考途徑。
                    本文轉自太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟公眾號
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