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工程案例解析“地热+太阳能光热”供热技术

创建时间:2020-04-09  |  浏览量:77次
近日,作为“第十六届清华大学建筑节能学术周”活动的专题会议,清华大学建筑学院组织召开了“太阳能光热利用技术云端研讨会”。会议上,甘肃省建材科研设计院有限责任公司甘肃省绿色建筑技术重点实验室田斌守副总工程师介绍了“太阳能光热及中深层地热供暖技术”。他用甘肃省建材科研设计院建成运行的实际工程案例分析了“地热+太阳能光热”互补供暖技术,透露了工程投资和运行成本等经济性数据。整理如下,以供参考。
 

地热+太阳能互补供热示范工程

2017年12月15日,由甘肃省建材科研设计院、中国科学院电工研究所等五家单位合作建设的国内首个“地热+太阳能”互补供暖示范工程在兰州市建成投入运行。该工程集成中深层地岩热利用、太阳能热利用及跨季节储热等技术,可规模化、低成本、连续稳定利用可再生能源进行清洁能源供暖。经初步运行测评,该工程可满足1.5万-2万㎡节能建筑的供暖需求,工程投资折算为每平方米供暖面积230元-250元;每月运行成本约为1.9元/(月•㎡),还可根据需要形成3万、5万、10万平方米的供热(制冷)工程化模块。

图:示范工程
该项目建有地热换热井1口,深度为2500m,配套太阳能系统为停车场与集热场一体化实现土地高效利用,集热面积202㎡,12个标准停车位。
 
通过测试数据显示:地岩热与太阳能互补供热系统,供水端最高温度51.3℃、回水端最高温度38℃,温差13.3℃。供水端平均温度45℃、回水端平均温度35.1℃,温差9.9℃。
由统计数据分析可看出:供暖季系统累计供热量为418687 kW∙h,系统累计耗电量81661.3 kW∙h整个供暖季系统COP为5.2。整个供暖季采用地岩热井直供期间,地岩热井累计供热量约170914 kW∙h,供热占比为40.82%。
 

地热+在校园供暖工程中的应用

1、校园供暖系统的特点
校园工程的供暖系统与学校的作息时间相关,负荷变化较大;对于无住宿要求的学校,一周5天供暖,且学生放学后晚上不供暖;最寒冷时期,学校放寒假,也无需供暖;即“三不供”,因此可以设计为在非供暖期间,系统达到防冻要求即可。
 
2、示范工程基本情况
该项目位于甘肃省定西市通渭县平襄镇,属于严寒C区,年均气温5.7~7.7℃。小学附属一个幼儿园,总建筑面积14697㎡。由于学校地处县城郊区,周边没有市政集中供热管网。为实现冬季正常采暖,本工程项目利用中深层地岩热技术供暖。
 
3、建设过程回顾
(1)从开工至成井、安装换热管道约30天时间。
(2)打井工作完成后,委托中国科学院地质与地球物理研究所对井温、地温梯度分布情况,进行了现场测试。

图:井深-井温分布曲线
 
(3)井底温度达到69.5℃,换热段平均地温梯度约7℃/hm。实际结果优于最初的设计条件。
(4)2019-2020年度采暖季运行概况:
图:中深层地岩热供暖工程机房、换热井
 

◎ 换热井出水温度39-51℃,供回水温差11.5-18.2℃。日换热量4270 kWh。

◎ 在地热井直供状态下,供暖成本约0.08-0.1元/(㎡·月)。
◎ 供暖季还未结束后,整个采暖季的供暖成本还没有出来,预测在1.5元/(㎡·月)-1.8元/(㎡·月)
 
从以上两个典型案例可以看出,工程投资折算为每平方米供暖面积230元-250元、运行成本低于2.5元/(月•㎡)的建筑供热;“三不供”学校的整个采暖季的供暖成本在1.5元/(㎡·月)-1.8元/(㎡·月),在经济上是可行的。那么技术上要如何实现呢?
  

中深层地岩热供热技术

太阳能虽然总量大、具有普遍性,但其能量密度低,不稳定不连续,故而在太阳能供热技术中,存着太阳能供给与热负荷之间存在季节性不平衡的矛盾。
 
地热能主要源自地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变,以地热形式存储于岩石、土壤、地下水和气体中,是一种绿色低碳的可再生能源,运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法,就是直接取用这些热源。

图:地岩热赋存情况 

图:目前开发地热的几种技术
 
1、浅层土壤源热泵
该技术是利用地下土壤温度相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换。

利用方式是冬季从土壤中取热,向建筑物供暖;夏季向土壤排热,为建筑物制冷。在200m以浅,恒温层热汇平衡是这种技术长期有效利用的关键。
 
2. 水源热泵
水源热泵是利用地下热水,采用热泵技术,实现低位热能向高位热能转移。

利用方式是则从水源中提取能量,利用热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中,为建筑物供暖。
技术的缺点是地下热水不具普遍性,存在回灌困难,地基下陷,地下水源污染的潜在风险。
 
3. 干热岩
干热岩也称增强型地热系统(EGS),是一般温度大于200℃,埋深数千米(约3000m以上),内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

像新闻报道中的青海共和干热岩项目就是在3705m处井底温度为236℃、2800~3705m井段地温梯度大于80℃/km 的高品质干热岩。
其特点是优质资源,不具普遍性。
 
地热为巨量的清洁能源,而地下热水为不可再生的资源。所以,开发利用中深层岩热资源,只有“取热不取水”才具有可持续发展的开发理念。“目前中深层岩热资源开发,主要采用的是中深层地热供暖技术,其基本原理是:向地下一定深处岩层钻孔,在钻孔中安装一种封闭循环的热交换设备——深层换热器,通过专用设备系统向地面建筑物供热。可广泛应用于建筑供暖、工农业生产、农产品加工、食品加工、工业干燥等。比如北方设施农业的大棚供暖均可以实现。”田斌守介绍道。

图:系统组成
 
中国工程院徐德龙院士团队认为:地下4000m以内、半径250m以内区域蕴藏着丰富的热能,岩层温度降低1℃可释放1.48´109MJ热量,可为10万㎡小区供暖30年。对于4000m的换热井,其采热影响半径小于15m,经过6个月的恢复,地下岩层温度能够完全复原。
 

图:热影响半径

图:地温恢复情况
 
上海交通大学代彦军教授团队研究认为:换热井不同深度热影响半径不同,最低处热影响半径为8m。在采暖季结束后90天内地温基本恢复,120天全程恢复。
 
据测算:中深层地岩热供暖系统简单——换热井+机组,可实现无人值守;单口换热井(约2500m)可满足1.5万~2万㎡的节能建筑的供暖需求;供暖成本低于2.5元/(㎡·月) ,但其瓶颈是初始投资略高。
 

地热+太阳能互补供热技术

基于中深层地岩热和太阳能光热技术的各自优势和局限性,将两种能源联合应用,形成互补供热的技术和系统,即:中深层地岩热太阳能互补供热技术。
系统设计出发点:1、供暖季可采用地岩热与太阳能联合供热;2、非采暖季可将丰富的太阳能以热能的形式储存于地岩热井,进行跨季储热;3、实现太阳能光热系统的年利用率最大化,投资效益的最大化。
系统的特点是:综合了两种可再生清洁能源的优势,既克服了太阳能季节不平衡性和不连续性,又融合了地岩热安全稳定、简便灵活的优势,提高资源利用率的同时降低了运行成本,同时无任何污染和排放。

“地岩热—太阳能”互补供热系统运行原理图
 
根据不同的条件,建成的示范系统具有6种不同的运行模式,分别为:
 

研发和实践发现,“中深层地岩热-太阳能互补供热技术”是绿色低碳的供热技术,可靠且能实现连续稳定供热,操作简便、不受地域条件限制、对自然环境干扰甚微,经济可行。这为北方地区冬季清洁取暖、能源结构调整、生态环境保护等工作提供了新的参考途径。
本文转自太阳能光热产业技术创新战略联盟公众号
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