地热能热泵技术在高寒地区公路桥梁中的运用20120814

1、地热能热泵技术在高寒地区道路中的运用摘要：地热能作为早就被人们认识和关注的一种可再生能源，开发利用的程度在 不断加深和推广，尤其在建筑制冷和采暖方面，采用浅层地源热泵技术的节能优 点众所周知，其实际应用技术也已趋于成熟，得到广泛应用。但是，地热能及热 泵技术在道路桥梁上的应用却鲜为人知。高寒地区道路桥梁以及机场码头的融雪 化冰技术是一个世界性的难题。应用地热能和热泵技术开辟了冬季道路防冻除冰 的新天地。本文将简要介绍地热能开发和热泵技术的原理以及地能热泵技术在高 寒地区道路桥梁防冻和融雪化冰的应用。关键词：地热能 热泵 道路防冻化冰The use of geothermal heat pump

2、 technology in the alpine region roadAbstract: The rapid economic development of modern society, the growing demand for energy, however, with high-grade of the Earths non-renewable energy (such as oil, gas, coal) mining growing increasingly scarce, so people arecontinue to develop and use a variety

3、of natural resources and energy in order to meet the rapidly growing economy. Shallow geothermal energy saving advantages as a low-grade energy, early awareness of and concern the development and utilization of the extent of the deepening and promotion, especially in building cooling and heating, th

4、e use of shallow ground source heat pump technology is well known that the practical application of technology has matured, and now has been widely used. Used in situ heat pump technology, the first geothermal energy and heat pump technology to make a brief introduction, and then describes the therm

5、al heat pump technology applied to the road of the alpine region.Key words: Geothermal energy Heat pump technology引言地热能取之不竭用之不尽，有着巨大利用价值。地能热泵系统，是一种 利用地下地热资源进行采暖、制冷、供热水、发电等的系统。它只需输入 少量的电能，利用逆卡诺原理即可以将能量由低温热源向高温热源转移。尤其是在冬季，我们可以吸取土壤中的热量，再将温度提高到一定程度后 运送到建筑物或者室内中用于取暖。将地热能用于道路桥梁以及机场码头 的融雪化冰和防冻，这是一项重大技术创新举措

6、。该技术的应用推广对高 寒地区冬季保证道路桥梁以及机场码头的畅通具有十分现实和深远的经济 和社会意义。1地热能源的原理与应用1.1地热能简介地热能是地壳中因太阳能量粒子与地核放射元素粒子交互作用产生的 能量。它是一种取之不尽用之不竭的可再生能源。地热能在温度上划分为高 温地热和中、低温地热，在中国一般界定温度为150C。高温地热能一般为深 层地热能，中、低温地热能一般为浅层地热能。深层地热能主要用于发电，而低 温地热能一般需要相关技术提取热量后再利用，提供采暖、生活热水等。深层地热能可遇不可求，开采难度大，而浅层地热能遍布地球的任何角落。 从地面20米到地下400米，地球存在着一个1418C的

7、恒温层，蕴藏着取之不尽的 能源。浅层地热能已经广泛用于采暖、制冷、供热水、烘干、冷藏冷冻、种养殖 等领域，在不久的将来还会迅速用于发电。是融雪化冰和防冻技术中的最经济、 最可靠的手段。1.2 地热能的应用人类利用地热能的历史悠久。20世纪中叶后，人们才开始真正认识地热资 源，并进行较大规模的开发利用。之后，地热能的利用便在许多领域中开展而来。 像地热发电，它便是地热利用最直接的方式。地热发电和火力发电所采用的基 本原理是一样的，但他们的不同之处在于地热发电不需要消耗煤炭等燃料 而且也不需要庞大的机器设备。地热供暖因简单可靠经济性好，受到各国 的重视.其中冰岛开发利用得最好。1928年冰岛建成了

8、世界上首个地热供热 系统，现今地热供热系统已发展得相当完善，其技术的使用已经非常成熟， 应用领域也越来越广。但是，深层地热能往往深藏在地下数千米，勘探开采成本和风险极高。而浅层地热能开采简单、维护容易、成本低廉，不受气候环境的影响，在 各种能源结构中最具有经济性和实用性，将成为新能源开发的主力军。我国利用浅层地热能供暖、供热水和制冷近年在国家大力扶持下发展 迅速，尤其是在北方城市比如在京津地区。1.32利用地热能的关键技术一热泵目前地热能利用技术主要是地源热泵，其所具有的杰出的节能、环保特 性，在国外已得到广泛的关注与重视。而我国在该领域的发展也已经有十多年， 但是总体技术水平仍然不及一些发达

9、国家，因此地源热泵技术的发展空间仍然是 十分巨大。因此在中国优先发展高效热泵循环系统、地热换热等方面将会非常重 要。另外，浅层地热能与其他能源互补循环、梯级利用的智慧能源系统，将把地 热能开发推向一个新的阶段。2.1热泵技术介绍地能热泵，也称作地源热泵。主要分为地表水、地下水和土壤源三种 形式。在地下水和土壤相对稳定的情况下，地源热泵通过从地表水、地下 水和土壤中换热，实现热量由低位热能区向高位热能区的转移。土壤源热泵工作原理是（如图1）：她平面U型膏埋图1地源热泵技术原理简图冬季利用热泵机组从土壤热能中吸收热量，然后将其传输给地面的建 筑物等，提供给室内或者空间以暖气；而到了夏季，热泵机组恰

10、好做一个 相反的循环过程从而实现空调制冷。地能热泵系统包括换热系统、主机系统、末端系统三部分。换热系统在高寒地区要因地制宜综合利用地热温泉、地下水和地下换热管路 系统。地源热泵系统不仅可以利用地表下层的相对稳定温度，全年可以高效 的运行取暖和制冷系统，运行成本极低。另外就地源热泵系统本身来说， 它采用的设备少又非常耐用，其相关部件都是深埋在地下和水中，受到天 气或人为条件破坏的因素大大减少，系统稳定性高。地源热泵的制冷剂封 闭在主机内不会向外界泄露，不会对臭氧层造成破坏，有利于保护环境。 地源热泵能够因地制宜，利用形式多种多样，不拘泥于固定的模式。地能热泵技术对于克服高寒地区霜冻或者下雪天气具

11、有现实深远的意义。2.2地能热泵技术在高寒地区道路桥梁中的运用2.2.1高寒地区特点高寒地区一般都是气候寒冷，霜雪天气时间比较长，道路桥梁易受到霜 雪的影响产生冻结，导致交通阻塞中断。一般气候好的地方无霜期加起来 都不超过一个月，而比较差的地方就更加少了，这些地方的道路可能就长 时间处于冻结状态。而且低温早霜危害出现的次数相对比较频繁，一般34年出现一次。另外，在高寒地区存在着各种小气候，有时虽然在同一座山， 山上和山下的气候就不一样，而就同一个水平面范围内，南边和北边的气 温也会各自不同。高寒地区道路桥梁和机场码头冰雪冻结造成的交通事故和交通中断，对国民经济和国防建设以及人民生命财产危害极大

12、。而开发利用我国大部分 高寒地区蕴藏的中高温地热资源和随处都有的浅层地热资源，完全可以解 除这一忧患。我国高温地热能资源主要分布藏滇地热带及台湾地热带。藏滇地热带及台湾 地热带是环球地热带一一地中海-喜马拉雅地热带及西太平洋环岛地热带的组成 部分。藏滇地热带位于印度、欧亚两大板块的边界。在该带内，目前已发现水热活 动区600余处。这里的水热活动十分强烈，有大量热泉、沸泉和喷气孔等，水温 多接近或超过当地沸点。台湾地热带位于太平洋板块与欧亚板块的边界。岛上地 壳运动活跃，第四纪火山强烈，地震频繁，水热活动区有100余处，100C以上 的有近10处。我国低温地热能资源广泛分布于板块内部中国大陆地壳

13、隆起区和地壳沉降 区。在板内地壳隆起区，发育有不同地质时期形成的断裂带，已经多期活动，它 们多数可成为地下水运动上升的良好通道。大气降水渗入地壳深部经深循环再正 常地温梯度下加热，常常在相对低洼的地方（山前或山间盆地、滨海盆地，多在 河谷底部），沿活动性断裂涌出地表形成温泉。根据地壳隆起区温泉的密集程度， 目前可初步划分两个低温地热带，即东南沿海地热带及滇川地热带。东南沿海地热带位于太平洋板块与欧亚板块交接带以西中国大陆内侧，包括 江西东部、湖南南部、福建、广东及海南岛等地。这里有现代火山作用，但自中 生代以来，地壳运动活跃，深断裂发育。东南沿海地热带是我国低温温泉最为密 集的地带，集中分布的

14、温泉就有500余处。温泉水温大部介于40-80C之间，也 有少量的在80C以上。滇川地热带位于印度与欧亚两大板块交接带以东纵贯滇川南北，沿南北构造 带展布。这里，新构造运动强烈，地震频繁。分布在该带的温泉共有100余处， 南段较密集，温度多在60C以上，个别达90C，北段较稀疏，水温多在60C以 下。其他地区，如山东半岛、辽东半岛、河北山地、太行山、秦岭、天山北麓、 四川盆地的东南部、柴达木盆地东部等，温泉也较集中，水温大部在60C以下， 少数温泉区水温可达80-90Co高寒地区往往也是地热能资源最丰富的地区。这些地热资源和浅层地热资源 应用热泵技术综合利用，是解决高寒地区道路桥梁、机场码头冬

15、季融冰化雪的正 确途径，实现人类千百年来的梦想。2.2.2寒冷地区道路桥梁恒温装置系统设计热负荷的确定寒冷季节道路桥梁和机场码头热负荷以满足道路路面和桥面能昼夜24小时 不结冰、不积雪、保持畅通为目标。热负荷要根据分时测定的室外土壤温度、路 （桥）面温度、空气温度、湿度、风速、交通量进行计算分配，保持路面温度随 时处于融雪温度以上。换热系统设计道路桥梁融冰化雪所需的热量巨大。在有地热温泉资源的地方，应当首选采 用地热温泉资源，其次利用地下水资源，最后才考虑用地埋管换热系统，同时与 太阳能集热系统和大型冷回收冷冻系统集成设计。在有热电厂或其他废热资源的 地方，要充分利用热泵进行余热回收来采集热源

16、。一般情况下，尽量使用多种能 源互补综合利用，以获得最好的经济效益。热源量要在广泛调查勘探道路沿线各种热能资源的分布和可采量的基础上， 进行全面技术经济论证。末端放热系统设计末端放热系统维持道路路面和桥梁桥面的融雪环境温度。末端放热系统布置 在道路路面或桥面的结构层下面和道路两侧，也可以设置送风系统在道路的两侧 直接吹刷路面。在越岭线的垭口路段，应同时配置这两种放热系统，确保能积蓄 热能及时融雪化冰。末端放热系统按不同的放热方式释放热负荷。为了既保障融冰化雪又最大限度地节约能源，换热系统与放热系统要通过主 机进行智能动态控制。由于道路具有线长面广，不同的气候和地质条件，使道路的恒温装置将会 受到多方面因素的影响，需要先进行典型路段的试验。3结束语高寒地区道路桥梁、码头机场的融雪化冰，是长期困扰这些地区交通发展老 大难问题，严重阻碍了这些地区国民经济发展和国防建设。而高寒地区往往也是 地热能资源最丰富的地区。这些地热资源和