可再生能源-地热能

第三章

地热能

GeothermalEnergy一、地热能地球内部的放射性元素不断进行着热核反应，具有非常高的温度，估计地球中心的温度达6900℃。高温的热量透过厚厚的地层，时时刻刻向太空释放，这种“大地热流”产生的能量，称地热能。

地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。一般估计地核的温度为4500-6900度。仅在10公里以内的地球表层中，就含有1.2x1024kJ的热量，这相当于地球煤储量的2000倍。按目前世界上所消耗的能量计算，完全依靠地热四千万年以后，地球的温度只降低1度。地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热资源有两种形式：（1）地下蒸汽或地热水（温泉）（2）地下干热岩体的热能地热能是一种来自地球深处洁净的可再生能源。地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热资源有两种形式：（1）地下蒸汽或地热水（温泉）（2）地下干热岩体的热能地热能是一种来自地球深处洁净的可再生能源。西藏羊八井地热电站（25MW）西藏羊八井地热电站（25MW）地热能具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定（流量、温度）、使用方便等优点，集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。地热能不仅是一种矿产资源，同时也是宝贵的旅游资源和水资源，已成为人们争相开发利用的热点。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。按照地热资源的分布，世界著名的地热带有：环太平洋地热带、大西洋中脊地热带、地中海及喜马拉雅地热带、中亚地热带、红海、亚丁湾与东非裂谷地热带等。作为新能源大家族的一员，地热能与太阳能、风能、生物能一样，除个别国家之外，目前在整个能源结构中的地位可以说是微乎其微。但新能源作为一种正在大力探索中的能源，若将太阳能、风能、潮汐能与地热能加以比较，则不难看出，地热能目前仍是新能源中最为现实的能源。根据地热水温度的高低，地热资源可分为：高温地热能(>150℃)中温地热能(90～150℃)低温地热能（≤90℃）用途：高温地热能主要用于发电；中低温地热能一般可直接利用(供热、温室、旅游和疗养等)。地热资源就其属性可分为：水热型地压地热能三种形式干热岩型其中水热型是目前国内进行大规模商业开发的主要地热能，可以用作供暖(包括制冷)、生活用水、温室以及工业等多种领域。目前地热资源的开发利用已经形成了一定的规模与相应的产业，取得了较好的经济、社会与环境效益。在人们日益关注全球气候变暖和矿物燃料利用带来的各种环境污染的今天，地热能因价廉、清洁而被称为是“21世纪能源”，今后的利用前景是十分广阔的。二、地热能的利用地热资源作为一种新能源，近年来已经得到了世界上许多国家的普遍重视。地热资源不仅能够提供热能，同时还可以提供供水水源及矿物资源，对国民经济的发展有着极为重要的意义。1.地热能的勘探开发史地热开发的早期历史就已经注意到了对温泉的利用，如浴池及疗养地，以及偶尔利用热水供建筑物取暖等。古代人民早已利用从喷气孔喷出的热蒸汽煮熟食物，而且在干旱地区，已经把蒸汽的凝结水作为饮用水由喷气孔的蒸汽中积淀的硫磺，在喷气地带的高岭土层及少量的汞和明矾，几个世纪以来就已获得利用。而在意大利拉德瑞罗由喷气孔中提取硼酸，却标志着现代地热开发的开端。这里自1812年开始，就将矿化的热泉水引到用木材烧热的大锅中煮干，然后从残渣中提取硼酸。1827年，喷气孔的热蒸汽取代了木材，被作为这一工艺的燃料，同时又增加了硼砂的物质来源。1904年，在拉德瑞罗建立了第一座利用天然蒸汽的试验电站，1913年，一座250千瓦的地热电站开始运行，标志着连续利用地热发电的开端。2.地热能的利用方式地热能的利用方式可分为地热发电和直接利用两大类。（1）地热发电地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，工作原理是通过打井找到正在上喷的天然热水流。由于水是从1～4公里的地下深处上来的，所以水是处在高压下。一眼底部直径25厘米的井每小时可生产20～80万公斤的地热水与蒸汽。由于水温的不同，5～10眼井产出的蒸汽可使一个发电装置生产出55兆瓦的电。因此可以看出其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。在热能转换为电能的地方，电能即刻可以并入整个输电网路。由于地热田常常与居民中心相隔很远，因此转换为电能是输送热能的一种有效手段。2.地热发电系统主要有四种：（1）地热蒸汽发电系统：利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠，是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。（2）双循环发电系统：也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。（3）全流发电系统：本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。（4）干热岩发电系统：利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。迄今为止利用地热发电的有美国、意大利、日本、俄罗斯、新西兰以及冰岛等国家。而根据美国地热资源委员会(GRC)1990年的调查，世界上18个国家的地热发电总装机容量为5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。不过通过对能量实际损失的计算可以对能的转换效率做出评价，许多的损失实际上是出现在输送途中及随后利用电能去做机械功或者热处理的过程中。此外，电力不能那么容易或者有效地蓄存起来，这意味着电力系统的建设必须满足峰值的需要，而几乎不考虑基础负荷。在投资方面，成本很高。基于这些不利因素，直接利用的方式(即不转换为电能)可望有所增加，例如在建筑物取暖、农业、工艺流程或者脱盐方面，尤其在使用其他燃料时成本明显增高的情况下。当然，尽管所有这些过程的能量都可以由电力提供，但是能量转换及再转换是会造成浪费的，特别是在将电能又转换为热能的情况下。2.地热能的直接利用从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的不过由于热量的迅速散失，地下流体不能由产地输送到很远的地方。最大的输送距离，一般依流体最初的热焓(热容量)及所指定的流体的利用方式而定。对于发电利用的蒸汽，其最大可能的输送距离约为2--3公里。利用于农业或建筑物取暖的热水，有可能输送到较远的地方。据报导，冰岛城镇的热供水，其最大输送距离为20公里。人们期望增加对地下热能的利用，当然是指直接利用。虽然存在某些不利条件，如不能保持远距离输送、基础负荷发电应用的限制、相对较低的效率及输送途中的热损失等，每7～12年成倍增长的电力需求及全世界对其他形式的能的加速增长的需求，都要求人们开发地下热能。现在的日本北部岛屿北海道、俄罗斯的勘察加半岛以及美国大盆地的部分地区，都显示了地热能所拥有的巨大能量与潜力。三、地热能利用的成本对比利用不同的能量形式发电的生产成本是十分困难的。可利用的资料不完全精确可靠。然而，匈牙利、冰岛、新西兰及俄罗斯的情况表明，工业、农业及供热方面对地下热能的直接利用是值得重视的，其费用低于用于同样目的的天然石油、汽油或柴油机燃料。在有可能获得天然气的地方，虽然天然气的价格仍然比用于供热目的的热水要高，但天然气是可以与煤竞争的。在发电方面，发现只有水力发电比较低廉，而且只是在某些地区。例如在冰岛，水力发电的费用在多数情况下要比地热发电低廉。但是，最理想的水力发电站的建设已接近饱和，地热发电就变为经济上可竞争的了。况且，在冰岛，直接利用热水为城市供热要经济得多。美国盖瑟尔斯地热发电表明，无论其电站规模如何，都较利用其他燃料发电的电力低廉。四、地热能的应用现状从世界范围看，利用温泉洗浴己有数千年历史，但是开始有规模的利用地热能源发电、供暖及进行工农业利用则始于20世纪。世界上首次利用地热能发电是在1904年，其商业开发已经走过了百年历史。在20世纪70年代世界出现能源危机爆发以及八十年代以来人们环境保护意识增强之后，许多国家为寻找可替代能源，掀起一个开发新能源和可再生能源的热潮。就在此时，地热能才开始真正受到重视。近年来，地热资源作为一种新兴能源，已经引起了世界上许多国家的重视。目前美国、意大利、日本、俄罗斯、冰岛等西方几十国家都在积极加强或正在着手进行地热资源的勘探、开发与利用。地热资源作为一种十分珍贵的可再生矿产资源，其集热、矿、水为一体，具有广泛的用途。尤为重要的是，地热具有清洁能源的特点和对人体有保健功能的作用，使其深受欢迎，发展迅速。由于结构简单、成本较低、并且易于建设等诸多原因，因此当时了选用不凝式汽轮机。然而它们每度电所耗费的蒸汽量为冷凝式汽轮机的两倍，即2比1。在蒸汽丰富的地区，投资少、建设时间短的不凝式汽轮机看来是最合适的。但是随着拉德瑞罗的扩大，许多地质人员确信，热田的容量已经达到或者已经接近蒸汽的有效利用的临界点。为了这个原因，现在意大利方面已逐步将大部分不凝式汽轮机更换为了冷凝式汽轮机。这样的话，在蒸汽量不增长的情况下，拉德瑞罗和蒙特阿米亚特的发电容量也可增加到4万千瓦以上。而美国自加利福尼亚盖瑟斯于1960年安装第一台1.25万千瓦的汽轮机以来，迅速进行了电力开发。在1972年末，生产电能已经达到了302000千瓦。在上世纪70年代，根据对盖瑟斯热田的容量、井孔产量、井距以及热储流体总储量的推测，最大可能的生产规模估计在120～480万千瓦以上，甚至更大

而最新投入使用的在美国盖瑟斯的地热田，将生产1300兆瓦的电，足以满足130万加州人的家庭用电。而在美国加州的喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油所得的能量。冰岛由于地处亚欧板块与美洲板块交界处，两大板块的交界线从西南向东北斜穿全岛。活跃的地壳活动，复杂的地貌造就了冰岛丰富的水力和地热资源。冰岛可开发的年水力发电量为650亿千瓦时，可开发的地热能为450亿千瓦时，地热能年发电量可达72亿千瓦时，目前已开发的仅占其中的7%。冰岛首都“雷克雅未克”，她的含意是“冒烟的港湾”，因其丰富的地热资源而得名。聪明的冰岛人因地制宜，早在19世纪就开始研究利用地热资源取暖和发电。如今，雷克雅未克成为世界上最清洁的城市，其地热技术被联合国作为典范推广。冰岛著名的奈斯亚威里尔地热电站建成于90年代初，该电站位于首都东部的亨吉尔火山地热区，是雷克雅未克能源公司建设的一座集发电和热水生产于一体的地热电站。雷克雅未克能源公司在此处打有20眼地热井，深度从1100米到2000米不等，地下水温度最高达380摄氏度。该电站目前拥有两台发电机组，装机容量60兆瓦，热水生产能力每秒1100升。电站的生产包括采热、发电和冷水加热，利用地热井中采集的热气推动电机发电；采集地表水做冷却用水；冷却过程中水温升到100摄氏度左右，然后通过管道把80多摄氏度的热水输送到35公里外的市区。由于冰岛人口稀少，没有必要建立大型地热电厂，建立用于多种目的的小型电厂是最有效的方案，这一点充分说明了利用低廉的地热发电具有广阔的前景。现在，雷克雅未克周围的3座地热电站为15万冰岛人提供热水和电力，而整个冰岛有85%的居民都通过地热取暖。地热资源干净卫生，大大减少了石油等能源进口。自1975年后，冰岛空气质量大为改善。冰岛人还善于提高地热资源的使用效率，包括进行温室蔬菜花草种植、建立全天候室外游泳馆、在人行道和停车场下铺设热水管道以加快冬雪融化等。目前世界上至少有64个国家以各种方式享用着地热资源，利用规模不相同，其中冰岛、法国、美国、日本、新西兰等国应用技术都较为成熟。地热能利用最广泛的国家是冰岛，其全国基础能源的50%来自地热，其余18%来自电力，30%来自石油，2%来自煤炭，因此冰岛大约68%的基础能源来自可再生能源

至于中低温地热资源的开发利用，热泵技术是目前世界上的一个热点，近5年来，全世界地热热泵容量以平均30％的年增长量在发展。对低温地热或地热供暖尾水可利用热泵技术提升其热能品位，使地热资源可以得到充分利用。因此热泵技术在不远的将来将会大大提高整个地热资源在能源系统中的地位。美国截止1997年底，己有30万台地热热泵在运转，每年可提供8000～11000GWh功率于供暖和空调。瑞士是一个传统意义上没有地热资源的国家，但采用热泵技术后1995年已可提供228GWh/a的热功率于地热采暖。总之，热泵技术将给地热直接利用开辟一个新天地，在其整个能源系统中的地位也将与日俱增。地热能的利用开发无疑会产生很好的社会、经济和环境效益。目前许多地热资源丰富且开发利用好的国家，如美国、日本、意大利、冰岛、新西兰以及印尼、菲律宾等，地热在整个国民经济中也起到一定的作用。例如冰岛，其首都雷克亚未克及其它几个城市供暖全部靠地热，仅此一项每年可节省1.3亿美元(与燃油供暖相比)。

又如1998年地热在菲律宾电力供应中己占19%，且还在继续增长，效益可观。目前，世界上有20多个国家建有地热发电站，总装机容量超过8438MW(百万瓦)。此外，在菲律宾、印尼与新西兰即将新增700兆瓦的地热发电。许多国家还用地热加热温室。食品加工是另一个成熟的应用。可以这么说全世界地热资源直接应用的巨大潜力几乎尚未开发。国别发电直接使用装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时中国289821435527法国4244562006格鲁吉亚——2452136匈牙利——6382795爱尔兰5026514435878印尼3091048——意大利62634173081008日本29917223191928表3.11994年部分国家热能发电和使用国别发电直接使用装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时肯尼亚45348——墨西哥75358772874新西兰28621932641837菲律宾10515470——俄罗斯1125210673斯洛伐克——100502瑞士——110243表3.1（续）1994年部分国家热能发电和使用情况国别发电直接使用装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时装机容量兆瓦(电)年产量千兆瓦时瑞士——110243突尼斯2068140552美国28171649118743859其他7403291935表3.1（续）1994年部分国家热能发电和使用情况我国开发利用地热资源已有上千年的历史，但是较大规模的勘查开发利用则是近30年的事。目前已施工建成的地热井近2500眼，深度从数百米延深到4000米，地热能的利用达500余万吨标准煤当量。我国著名的地质学家李四光曾经说过：“地热是与石油天然气同等重要的能源。”然而，油田每年都在搞勘探开发，可是由于各种各样的原因，至少有一半以上的拥有丰富地热资源的地热井未能被加以利用，丰富的地热资源像一位巨人沉睡在地下深处。

我国的地热资源十分丰富，目前已发现的地热露头点有3200余处，经地质勘查工作证实的有1000多处，其中以低于150摄氏度的中低温地热资源为主，全年天然放热资源量1.04X1017千焦，折合35.6亿吨标煤。由于我国的国土面积巨大，因此各种类型的地热资源比较丰富齐全。就地质条件而论，我国地热资源主要分布于构造活动带和大型盆地之中。前者资源相对集中，如云南、西藏、四川等西南高原地区和广东、福建、台湾、江西等东南沿海地带，以及辽东和胶东地区。后者分布较为广泛，主要分布于华北盆地京津塘地区的北京、天津、河北等省市以及南方的广东、福建、海南、广西等省市。然而，我国的地热资源分布极不均匀，储量大的高温地热带，主要分布在西藏、云南等偏远的高原地区。西藏的高温地热带有120多个，热储的温度在150摄氏度以上。其中，西藏羊八井硫磺矿曾打出一口水温达329.8摄氏度的高温地热井，出来的热蒸汽跟蘑菇云一样。另外一个高温地热带经过我国台湾，属于环太平洋地热带。台湾那么小的一个地方就有92个温泉，温度达260摄氏度。从我国的地热资源情况看，85%是低于100℃的地热水型热田。而且多年地质工作结果证明，我国中低温地热资源开发利用的潜力巨大。因此，这些因素都决定了我国地热资源的利用主要以直接利用为主。

进入90年代，我国地热兴起了直接利用的新高潮，尤其在高纬度寒冷的三北(东北、华北、西北)地区，加大了以地热供热(采暖和生活用水)为主的开发力度。仅地热采暖一项，1990年全国供暖面积仅190万平方米，到2000年就增至1100万平方米。

目前北京、天津、西安等大城市以及黑龙江、辽宁、宁夏、山东、河北、河南等省正在积极采用多种供热形式(包括热泵)进行示范工程建设与推广。西部的云南、西藏、四川、陕西等省正在着手开发地热旅游资源，为发展当地的旅游产业增添新品种、新增长点。全国各地的地热直接利用，正以强劲势头向规模化、产业化方向健康发展。目前我国地热直接利用量很大，到1997年底直接利用的总装机容量已达1.9GW，居世界第一位，但年产能值不高(仅为4717GWh/a)，低于日本(直接利用装机容量1159MW，年产能值7500GWh/a)和冰岛(直接利用装机容量1443MW，年产能值5878GWh/a)。这主要是由于直接利用不同品质的地热资源所产生的效益不同。因此，在地热资源的实际利用中，应针对地热的特点采用相应的利用方法，提高能源的利用率与利用经济性。在地热资源开发利用方面，我国政府正在从政策、资金上加以扶持，从制度上加以引导，以免一哄而上，乱开乱采，造成资源的浪费甚至污染环境。在技术上吸收了国外成功的先进经验（如开采与回灌技术、发电与热利用技术），引进用于中低温地热利用的热泵技术，来实现地热资源的梯级综合利用以及提高地热能源的利用率。这使得中低温地热的直接利用如今在我国也非常广泛，已利用的地热点有1300多处，地热采暖面积达800多万平方米，在天津地区单个地热供暖小区面积已达8O～1OO万平方米，与此同时地热温室、地热养殖和温泉浴疗也有了很大的发展。地热供暖地热供暖目前主要集中在我国的北方城市，其基本形式有2种：直接供暖间接供暖直接供暖－就是以地热水为工质供热。间接供暖－利用地热水加热供热介质，再利用介质循环供热。地热水供暖方式的选择主要取决于地热水所含元素成分和温度；间接供暖需要中间换热器，初投资较大；中间热交换增加了热损失，会大大降低供暖的经济性。一般都采用直接供暖，间接供暖只用在地热水质差而水温较高之处。地热资源的利用过程中存在的问题及对策由于环保问题日益受到重视，同时能源的需求量日益增大，因此地热资源的研究、开发与利用在我国受到前所未有的重视，尤其在我国北方的供暖中越来越被关注。中低温地热资源的利用如今在我国局部地区取得了良好的效果，如北京市和天津市利用地热水进行冬季供暖，为减少化石燃料的使用，改善两市的大气环境产生了良好的效果。我国从20世纪70年代后期开始研究发展地热发电，由于缺乏经验及其它历史原因，建立的试验性地热电站大部分由于效率太低而停止运行。目前我国内地共有5座地热电站仍在运行，至1996年，全国地热电站总装机容量为32MW(包括台湾)。

其中最大的是西藏羊八井地热电站(25MW)。西藏羊八井地热电站是一个很好的成功例子，年发电量超过1亿千瓦时，对拉萨地区的供电起着举足轻重的作用。现今我国地热发电产业已经具有了一定的基础。国内可以独立建造3O兆瓦以上规模的地热电站，单机可以达到10兆瓦。电站可以进行商业运行。经过这几年的发展，我国也已具备施工5000米深度的地热钻探工程条件和水平，在华北地区，从事地热钻探的3200米型钻机就有15台套，形成全国最大的地热钻探群体，具备了大规模开发地热能力，并开始朝着专业化、规范化方向发展。在开发温泉旅游、疗养、娱乐等方面这几年也得到了迅速的发展。可以说我国在地热能开发利用方面的技术水平以及在示范点、示范区所展现出来的经济、社会和环境效益可以达到国际上90年代的水平，目前正在由粗放转入集约。

但是总体上与美国、日本、冰岛等先进国家相比，我国的地热开发利用不论从总量和利用水平上都存在一定的差距。除高温资源用于发电外，大部分中低温地热资源的利用仍停留在简单的、原始的利用方式，特别是许多地热旅游宾馆在利用70～90℃的地热水时，往往要靠自然冷却将温度降低到50℃以下用于洗浴和理疗，使大量热能白白浪费掉。究其原因，主要是设计规划落后，设备陈旧，设备的年使用率不高。在地热勘探、开采、地热水回灌、防腐、防垢等方面的技术和设备同国外先进国家相比还存在较大的差距。由于我国长期处于能源紧张、供应短缺的状态，而我国又是地热资源的大国，加强对地热能的开发利用无疑是一个很好的解决方法。从节约能源和环境保护的角度出发，地热供暖在我国(尤其在北京、天津、西安等一些大、中城市)已经掀起了新一轮高潮。就目前能源短缺的形势来看，开发和利用地热资源，对我国调整能源结构、促进经济发展、实现城镇化战略、保证可持续发展等具有重要的意义。五、地热能应用的前景随着全世界对洁净能源需求的增长，将会更多地使用地热。全世界到处都有地热资源，特别是在许多发展中国家尤其丰富，它们的使用可取代带来污染的矿物燃料电站。这是非常重要的，因为一旦对矿物燃料电厂做出投资，在整个电厂的寿命期间，将会发出大气污染流，其期限是几十年的时间。据估计，全世界发展中国家从火山系统可取得80000兆瓦的地热发电。印尼的地热潜力就达到19000兆瓦。地热发电厂的规模大约为300千瓦～55兆瓦(净电功率)。地热的直接应用，全世界使用量在9000兆瓦(热功率)以上。爱尔兰几乎全部家庭和大楼都用地热。美国的几个城市和新西兰也在使用地热进行采暖。对地热的研究和开发最终将使人类能使用含在不同深度的岩石中而不单单是火山地区中的巨大地热能。一旦进入这一阶段，地热能将供应全世界所需用电与热量的25%～50%。国际能源专家普遍认为新能源和可再生能源是21世纪鼎盛发展的能源，预测到2100年它在世界能源总值中将占有30%～80%。因此在不久的将来，无论从保护环境还是从节约资源的角度来看，加速开发作为新能源的地热能将会成为世界各国重要的发展机遇，地热能也会成为各国的能源支柱之一。

六、地热能在前沿领域的发展地热能的开发利用己有较长的时间，包括地热发电、地热制冷等技术都己比较成熟。结合国内地热(源)能开发的特点和国外地热(源)能利用的现状，目前在地热能利用中的前沿领域大体为以下三个方面：地热(源)热泵技术地热制冷空调技术地热能梯级综合利用技术1.地(源)热泵技术地热泵(Geothermalheatpump)也称为地源热泵(Groundsourceheatpump)，它是以地源能(土壤、地下水、地表水和低温地热水)或地热尾水作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，实现采暖、制冷、供生活热水，替代传统的制冷机十锅炉的建筑物主调、采暖、供热模式，是改善城市大气环境、节约能源的一种有效途径，是地源能利用一个新的发展方向。2.地热制冷空调技术地热制冷空调技术的核心部分是热水型溴化锂吸收式制冷技术。国内外在溴化锂吸收式制冷技术方面的研究都己比较成熟，产品开发大都为蒸汽型和直燃型两种机组。热水型溴化锂两级吸收式制冷机的研制成功使得这项制冷技术有效地与我国中低温地热(70～90℃)相结合，成为地热能直接利用一个新的开发领域。3.地热能梯级综合利用技术地热能梯级综合利用技术是目前解决地热能的单一利用的有效方法。结合国内外地热能的开发利用情况，可以发现，地热能的利用率较低，过高的地热水排放温度不仅造成了地热资源的浪费，还给环境带来了负面影响。为此，国外一些国家开始提倡“梯级利用”，并取得了很好的经济效益，能量综合利用效率达到70%以上。因此地热能梯级综合利用技术的广泛采用将成为日后地热能应用的一个主旋律。七、国外地热泵技术应用的历史与发展最早的地热泵诞生于美国，1954年美国人发明了世界上第一台地热泵，其工作原理与今天的地热泵相同，只是体积较大，机械功和热效率要比现今的地热泵系统低得多。上世纪70年代初期，北欧国家的科技工作者开始了地热泵的实际利用研究与开发，并得到了国家政府的强大支持。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府资助的示范工程逐步建立起来，地热泵生产技术逐步完善。从系统技术上来说，这个时期的地下热传导体系大多采用的是地下水直接利用方式，要求有一定的水温，而且技术相对粗糙，甚至没有回灌井。1970年代后期，瑞典科学家开始研究地下开放式的循环采热系统。1980年代是地热泵技术飞速发展的时期。北美国家的政府机构和科研单位大力开发地热泵的系统技术，美国能源部接连资助了两所大学、两家公司的研究和开发机构，在俄克拉荷马州立大学成立了国际地热泵联合会。同时美国地调所也开展了地热泵应用前景的调查，对美国中西部七个州的地下浅层地质结构、大地热流、热传导、地下水位、水量以及地热泵利用程度做出详细评价，提供相应图片。这一时期，美国的地热泵生产厂家十分活跃，成立了全国地热泵生产商联合会并且逐步完善了安装工程网络。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地热泵供暖和制冷技术，国家政府采取了相应的补助政策和保护政策，使得地热泵生产和使用范围迅速扩大。1980年代后期，地热泵技术已臻于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地热泵生产呈现逐年上升的趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%。当时美国的地热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞跃性的发展，成为世界上地热泵生产和使用的头号大国。1990年代以来，欧美国家的科技工作者联系更加密切，共同开发出地下封闭循环系统技术和井中热交换技术。这种技术不仅完全解决了抽取地下水造成的环境问题，而且也使地热泵采暖技术应用于缺少地下水的地区和地下水质量恶劣的地区。

根据国际上1995至1999年的数字统计，发达国家地热泵产品的发展势头十分可观。美欧日等国家的地热泵利用情况如下：美国：封闭循环的地热泵系统已经安装了20万套以上(开放循环的地热泵系统大约有35万至40万套)，每年递增约20%，到2000年每年安装5～6万套地热泵系统，其中有4万套为封闭循环的地热泵系统。加拿大：地热泵技术发展稍晚，其中封闭循环地热泵系统在加拿大刚刚开始，至1994年，仅有7000～8000套封闭循环地热泵系统投入使用，加上开放系统地热泵总数不超过万台。瑞典：在地热泵应用初期，瑞典政府采取了一定的补贴政策，1990年代以来，政府补贴取消，但地热泵安装仍以1000套/年的速度递增。瑞典全国已经安装了23万套地热泵，其中约5万套为封闭循环的地热泵系统。瑞士：瑞士是世界上地热泵应用人均比例最高的国家，其中封闭循环地热泵系统所占比例越来越高，至1998年，总数达到20万台以上，号称世界上封闭循环地热泵系统密度最大的国家。奥地利：奥地利是一个独立发展地热泵技术的国家，地热泵生产技术和安装技术自成体系。据1995年的资料统计，封闭循环地热泵系统占地热泵安装总数的65%以上。日本：日本的地热泵制造技术水平也较高，年生产量达到400万台。

八、国内地热泵技术的应用历史与现状我国从1995年开始学习和引进欧洲产品，并且开始研制地热泵。直到1997年才出现有规模的地热泵供暖制冷系统，而且全部为开放循环体系。从1999年上半年起国家环保总局、国家建设部、科技部等单独或联合召开了两次产品推销会和地热泵应用现场会，极大地促进了地热泵产品进入供暖市场。作为环保科技新产品已经受到了政府各部门的高度重视，从世界经济和技术发展趋势来看，中国是将来世界上最大的地热泵经济和技术市场。在中国，地热泵技术将会取得最大环保效益和经济效益。瑞士学者Rybach(1999)指出：中国是世界上直接利用地热潜力最大的国家，在世界上名列第一。其主要原因在于：(1)中国幅员辽阔，近地表低温地热资源丰富；(2)中国人口众多，采暖和制冷工业的基础相对薄弱，将来的需求量无可比拟。但是到目前为止，中国地热直接利用技术尚没有得到足够重视。2000年6月在日本召开了第15届国际地热大会，Rybach担任大会主席，他认为在地热直接利用领域，地热泵将是最活跃的一项新技术产品，可能占我国地热直接利用能量总和的70%以上。我国科技工作者对地热泵技术研究甚少，产品单一，缺乏完善的市场体系，因而在地热泵推广过程中存在很大困难，但是随着国际交流的扩展和市场经济的完善，地热泵技术和产品必将在中国得到发展。1.地热泵技术简述地热泵是一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷的新技术，它利用地下相对稳定的土壤温度，通过深藏于建筑物下面的管路系统与地表建筑物进行热交换，可一年四季方便地调节建筑物内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换，完全是一种能量的“搬运”过程，因而其能量转换效率高，运行成本低，是目前各国政府及科研部门均十分关注的一门新技术。2.地热泵技术的工作原理地热泵技术是一种利用浅层常温土壤中的能量作为能源的先进的新型空调技术，其具有高效节能、无污染、运行成本低、既可供暖又可制冷等优点。在地热泵系统中，它总是从低温热源吸收热量，向高温热源放热。所以，一个温度相对稳定低温热源对这个系统至关重要。而地热泵就是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑内部完成热量交换的装置。根据卡诺循环的原理，地热泵既可供热又可制冷。对于地下的循环系统来说，供热时是低温热源，制冷时是高温热源。它完全不需要任何的人工热源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的集中供暖方式。冬季供暖，夏季制冷，一举两得。在供暖时地热泵技术可吸收土壤中的热能，再将其转移到室内，制热系数高达3.5到4.5，而锅炉仅为0.7到0.9，可节省70%以上的能源和40%到60%的运行成本；制冷时比普通空调节能40%到50%，运行费用降低40%以上。能量利用效率高、节能能力强、运行成本低，这都为地热泵技术的商业推广创造了条件。3.地热泵技术的主要分类：地热泵技术主要分为：（1）以美国技术为代表的土-气型地热泵技术（2）以北欧技术为代表的水-水型地热泵技术（1）土-气型地热泵技术从浅层土壤或地下水中吸收热量或向其放热，通过分布于各处的地热泵机组直接转换成热风或冷风为用户供暖或制冷。（2）水-水型地热泵技术从地下水中吸热或放热，经过地热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过分布于各处的风机管网转换成热风或者冷风给用户供暖或制冷。从技术原理来看:土-气型地热泵技术由于受到的限制较少，使用范围更大，更灵活。而且由于减少了能量转换的过程，使能量损失降至最低。能量利用的效率得到了提高，运行成本也降低了，所以应该更加提倡使用土-气型地热泵技术。4.地热泵的基本结构地热泵主要有五个部件组成:压缩机、冷凝器、膨胀器、调节阀和制冷剂。（1）压缩机主要是将膨胀器中产生的制冷剂蒸汽加压，使之体积缩小，温度升高，不断流向冷凝器。它可以被视为地热泵的心脏。（2）膨胀器是将低温热源中的热量吸收到地热泵的制冷剂中，使之汽化，并经过压缩机加压成为高温高压气体流。（3）冷凝器能将膨胀器中产生的热量传导至高温热源中，同时使气态制冷剂还原成液态（4）调节阀是制冷剂的节流装置，主要功能有两个：首先是对高压液态制冷剂节流降压，保证冷凝器和膨胀器之间的压力差；其次调整进入膨胀器中的制冷剂流量，以适应膨胀器的热负荷变化，保证制冷装置正常运行。（5）制冷剂是制冷循环的工作介质，在膨胀器中液化时吸收热，在冷凝器中凝结时放热。目前常用的有氟立昂类、氨水和少数碳氢化合物等。图3-1地热泵内部热转换示意图八、地热能梯级利用供暖系统简介所谓的地热能梯级利用供暖系统就是利用多台或多组供暖设备及热泵通过换热器采用串联的方式，使地热水温度逐级降低，以达到充分利用地热能为目的的地热能供暖系统。1.地热能梯级利用供暖系统基本原理：由于目前单台或单组供暖设备所能产生的温降是有限的，为了能充分地利用地热能，需要采用几台或几组供暖设备串联的方式，使地热水降到理想的温度，再予以回灌。同时地热水一般含有大量的矿物质以及腐蚀性物质，工程上常常通过使用耐腐蚀的钛板换热器把地热水和供暖设备隔离。与常用的供暖空调系统相比，地热梯级利用供暖系统工程模式的设计要复杂的多。这主要是因为存在级数的确定问题。级数确定的影响因素非常多，包括地热井的参数，建筑物的使用功能，供暖设备的选择等等。因此，合理的地热梯级利用供暖系统设计应根据地热井的情况以及使用地热的建筑物具体情况决定。（1）地热泵系统简介地热泵系统可以分为三个部分，地上热传导部分、地热泵部分和地下热交换部分。地上部分可以与传统的锅炉采暖系统相协调，原理相对简单，而地下部分则是地热泵工作性能的关键。目前国际上流行的地下循环系统有两种：1）开放循环系统开放循环系统是利用地下水作为直接热媒，所以此种系统常常被称为“地下水源热泵”。系统基本由抽水井、回灌井或地表水系组成(见下图3-2)图3-2开放循环系统优点：设计简单，比封闭系统少钻井费用，如果地下水用过后被用于灌溉等其他用途，运行费用将会更低。缺点：需水量大，可用的水源可能受到限制，热泵的传热效率受到悬浮物、腐蚀性物质、水垢和细菌微生物等的影响，泵的能耗会非常大。如果需回灌井，费用将很高。2）封闭循环系统封闭循环系统主要用在地下水不足的地区。它是利用低温地热加温人工注入的采热媒体，一般为水和防冻液的混合物，经过地热泵释放出热量再循环至地下。由于我国大部分地区特别是冬季寒冷地区属于严重缺水地区，故开放式地下循环系统研究价值不大，而封闭循环系统则显示出其优越的开发前景。目前国际上流行的封闭循环系统有如下几种不同的设计：(1)水平环路：一般用在面积充裕的场合。管子埋在沟里，位于地下1.2～3m。每个沟里埋有1到6根管子。尽管这样管子的长度增加了，但是节省了土地使用面积，管沟的数量减少了，成本也降下来了。管沟的长度是在8.7～34.6m/kW，取决于土壤条件和管沟中敷设的管道数量。该系统由于使用面积大，常用于住宅建筑(见图3-3)。优点:管沟的造价低于打井费用，可以灵活安装；缺点:使用土地面积大，浅层地表的温度受气候影响较大。土壤传热特性随着气候、雨水、埋设深度而波动。图3-3水平环路(2)螺旋形环路螺旋形环路是水平环路的一个变种，如图3-4所示，在管沟内螺旋状摆放。还有一种类型是将管子螺旋状放入竖直管沟内。螺旋状环路所需要的管子更长，一般约为43.3~86.6m/kW，但是所需管沟比水平环路要少。它同样适用于土地面积较大的场所。优点:螺旋形环路具有比其他形式的水平环路占地少，安装费用相对较少的。缺点:所需管子较长，受天气影响较大，泵功率要求较大，管路系统容易在填埋时受损害。

图3-4螺旋形环路(3)垂直环路垂直环路如图3-5所示，其主要适用于土地面积受到限制的场所。一般井深大约为22.9～91.4米。闭式管路插入垂直井中，一般是17.4~52.2米/千瓦，具体数值取决于土壤和温度条件。一般要打多个井，间距是3.0～4.9米。管子可以串联也可以并联。垂直环路的优点：在所有闭式系统中所需管长最小，所需泵的功率最小，所占土地面积最小，土壤温度不受天气影响。缺点：需要钻井设备，而且钻井费用较水平管沟高。图3-5垂直环路(4)闭式潜入式系统：如果附近有适宜的水塘或者湖泊，就可以采用闭式潜入式系统，如图3-6所示。这种类型需要足够大的水面积和足够深的深度来满足供冷或供热需求，一般需26.0米/千瓦和79.2平方米/千瓦。水池最好有1.5英亩的总面积。优点:主要包括所需管长最短，如果条件许可，费用较少。缺点:附近需要有水塘。图3-6闭式潜入式系统2.垂直钻孔埋设法设计原理基本原理为在垂直钻孔中埋入地下采热系统，在系统中注入采热媒体，采热系统与地热泵相连。采热媒体在地下循环的过程中吸取低温地热而被加温，在流经地热泵的膨胀器时，制冷剂被蒸发而吸取热量，所吸取的热量最终被传导至建筑物中。3.地热梯级利用供暖系统级数的影响因素地热梯级利用供暖系统主要由地热供暖直接利用和间接利用两部分组成,因此，笼统的说，地热梯级利用供暖系统可以分为两级。如果地热梯级利用供暖系统的级数是指地热水侧板换串联或供暖设备串联的级数，其级数的确定则比较复杂。地热能梯级利用系统的级数主要与三个因素有关：热能的用途地热水回灌温度地热水供水温度(1)地热能的用途主要是指不同热能用途的供水温度、回水温度以及所产生的温降对级数的影响。对于低温地热水，用途主要有供暖、游泳池、洗浴、养殖等。对于不同的供暖方式(见表3.1)以及用途，其供水温度与回水温度也是不同的。热用户终端设计标准℃实际运行温度℃供水温度回水温度供水温度回水温度暖气片957075～6060～50风机盘管机组605060～4550～38地板供暖60～4550～3560～4050～35表3.1不同供热终端设备要求的设计温度和运行温度热用户终端设计标准℃实际运行温度℃供水温度回水温度供水温度回水温度淋浴用水42———游泳池28～2626～2428～2626～4水源热泵水源侧深井地热水(蒸发器侧)35～3030～1535～20—表3.1(续)不同供热终端设备要求的设计温度和运行温度从表3.1中可以看出，从上至下的不同地热用户供、回水温度基本上形成一个逐渐梯级降低的趋势，这就为地热能的梯级利用提供了可能。只要根据建筑的需要选用合适的热能利用方式，使它们的供、回水温度形成梯级降低。也就是说，上一级的回水温度和下一级的供水温度相匹配，这样就可以对地热进行适当的梯级利用。而不同热能利用方式所产生的温降则直接影响到梯级利用的级数。较大的温降可以减少级数，使系统比较简单，便于控制。（2）地热水供水温度对于某一确定建筑物，其热能用途和供暖形式一旦确定，供暖设备产生的温降也己相对确定。此时，地热水供水温度的高低则会影响到级数的数量。地热水温度越高，可能需要的级数越多。（3）地热水回灌温度与地热水供水温度相反，一旦其它条件已经确定，地热水回灌温度越低，系统需要的级数则会越多。目前，地热水回灌温度并没有一个明确的数值限制，最终还是基本上由使用者自己确定。不过一般认为地热水回灌温度的确定应考虑下面三个因素：1)对地热供暖系统性能的影响：地热水的回灌温度会影响系统的性能。温度越高，热泵的水源侧入口温度就越高，热泵的效率也越高，从而导致地热供暖系统的总效率越高，而地热能利用效率则会有所降低。因此，应在地热供暖系统的总效率和地热能利用效率之间找到一个相对平衡点。2)政府相关政策的规定：在《北京市地热资源管理办法》中规定：热水型地热是指温度在25℃以上(含25℃)的基岩水和天然露出的温泉。目前尚无法预测低温地热水回灌至同层地下水层时，对地质的影响。因此，地质学专家以及政府的相关主管部门建议地热水的回灌温度不低于20℃。但根据与地质部门的探讨，短时间的低于20℃的回水温度应该不引起对热储的重大影响，所以短时间更低温度的回灌也是允许的。3)运行实践：从实际运行过程中分析运行记录，再根据实际情况设定合适的地热水回灌温度。总之，要综合考虑热能的用途、地热水回灌温度、地热水的温度这三个因素的影响，才能设计出合理的地热梯级利用供暖系统。4.地热能梯级利用供暖系统级数的确定在目前我国常用的供暖方式中，可以利用地热水进行供暖的方式主要有暖气片供暖、风机盘管、地板供暖。通常采用氟利昂或替代工质的热泵作为采暖设备现在也普遍使用。因此，下面就使用这几种供暖方式，讨论不同温度的地热水用于供暖的梯级利用系统级数的确定。主要由直接利用和间接利用两部分组成。（1）对于60℃以上(即可以直接采用暖气片供暖的水温)的地热水：1)直接利用部分级数的确定：一般可以分为2级，级数的划定不是依据串联的级数，而主要是根据不同的供暖形式。即第一级采用暖气片供暖，地热水经板换换热为暖气片提供热源，地热水温度被降至55℃左右；第二级采用风机盘管或地板供暖，地热水经板换换热为风机盘管或地板供暖系统提供热源，地热水温度被降至40℃左右。2)间接利用部分级数的确定：40℃以下的地热水己不适用于目前常用的供暖末端设备。因此，需要选用热泵提升水温。一般的系统形式如下：利用板式换热器，热泵的蒸发器侧(水源侧)循环水与地热水交换热量后，使循环水的温度升高但不超过采用的热泵设备蒸发器侧入口水温的上限，通过热泵提升热泵冷凝器侧(负荷侧)水的温度，供给用户。当地热水回灌温度确定为20℃时，对级数产生影响的主要因素就是热泵设备的冬季水源侧(蒸发器)入口水温的上限及其温降。据调研，目前市场上现有的热泵(高温热泵除外)，冬季水源侧入口水温的上限最大为35℃；而热泵的蒸发器侧额定温降一般为5℃。此时间接利用部分的级数为3级。但是，由于系统串联的级数越多，则会导致系统越复杂，对于系统运行的控制、调试以及稳定性都会产生影响，因此，可以通过减小蒸发器侧水量的方法，使蒸发器侧的温降加大。一般确定热泵的蒸发器侧温降为7℃左右，这样间接利用部分的级数为2级。因此，间接利用部分的级数一般为2～3级。而对于60℃以上的地热水，其系统级数一般为4～5级。（2）对于45～60℃之间的地热水：直接利用部分1级，即采用风机盘管或地板供暖，地热水可降至40℃左右。间接利用的级数同60℃以上的地热水系统。因此，对于45～60℃之间的地热水，其系统级数一般为3～4级。（3）对于20～45℃之间的地热水：由于已低于直接利用的供水温度要求，只能间接利用，因此对于45℃以下的地热水，也应根据地热水温度确定级数：当地热水温度为35～45℃，其系统级数一般为2～3级；当地热水温度为30～35℃，其系统级数一般为1～2级；当地热水温度为20～30℃，其系统级数一般仅有1级。5.采用地热能梯级利用供暖系统对系统性能的影响（1）技术性能采用梯级利用方案后，将会使系统的技术性能得到极大的提升，而且地热系统总效率将会维持在一个很高的水平。但同时也存在一个缺点，即对于地热水量的需求将要增加。（2）经济性能采用梯级利用系统，将会使前期投资减少，而且运行费用远远低于其他类型的供暖系统。因此，无论是从系统的技术性能还是从系统的经济性能分析，采用地热梯级利用供暖系统都远远优于其他类型的供暖系统。这就是推广采用地热梯级利用供暖系统的主要原因。九、地热供暖示范工程专题研究北京工业大学地热概况：1999年底，北京市发展计划委员会给“北京工业大学地热供暖示范工程”立项，同时北京工业大学地热供暖示范工程课题组成立，并且在北京工业大学校园内开凿了两口地热水生产井、一口地热水回灌井，开始了地热水利用的研究。2000年初，在地热井尚未完成开凿时，即投资建设500平方米的小型“地热梯级利用实验系统”，并进行前期测试，系统包含:低温暖气片组，低温地板供暖，水-水热泵，水-气热泵。为各项工程进行了准备工作。2000年6月第一口地热井:京热95井在大学校园内开凿成功，水温52℃，水量70m3/h。通过对北京工业大学经济管理学院办公楼地热供暖改造工程的研究，对其改造后的系统性能进行测试，包含水-水热泵的利用效率等，以此来了解地热泵的实际工作状况与性能。井编号京热-95京热-115京热灌-6验收日期2000年6月7日2001年4月28号2002年2月20日井深1580米1623米1859米出水温度51.5℃52℃42℃出水量1700m3/day2084m3/day1008m3/day表3.2北京工业大学地热井概况1.负荷的确定（1）设计指标北京市室外计算干球温度：冬季为-9℃，夏季为33.4℃。室内计算温度见下表3.3。序号房间名称计算温度℃冬季夏季1办公室18272大厅16无表3.3室内计算温度

2.水系统的设计目前的供暖方式对供水温度都有一定的水温要求，如暖气片供暖系统，设计供水温度要求为95℃，在实际运行中，供水温度一般也在60℃以上；以风机盘管作为末端的供暖系统，供水温度设计要求为60℃；即使是水温要求较低的地板辐射供暖系统，一般也要求供水温度不低于40℃。当采用这些常用的供暖方式利用低温地热直接供暖时，地热水的回水温度仍会在30℃以上。因此，如果要对地热水进一步梯级利用，必须采用热泵，使地热水温度再次降低。但这里存在一个问题，目前常用的低温热泵，其制热工况下的水源侧(蒸发器侧)供水温度额定参数为21℃，一般要求水温不超过此温度。而直接利用后的热水温度一般均超过此温度，如果要满足温度要求，还需要通过板式换热器将水温降低，这样做的代价就是降低了地热能的能级，使系统的性能降低。而在不影响机组使用寿命的条件下，使用美国ClimateMaster生产的WE系列热泵水源侧(蒸发器侧)入口温度可以达到30～35℃。因为美国ClimateMaster生产的WE系列热泵是小型机组，适用于大楼的改造过程。因此在这次地热供暖方案设计中，热泵的参数是以WE系列热泵参数为基准的。WE120型水-水热泵实物见图3-7。图3-7WE120型水-水热泵实物

由于大楼供暖系统是一个改造工程，由于建筑物条件和实际情况的限制，可以采用风机盘管作为供暖末端。按照大楼布局，选定大厅内使用的风机盘管为新晃SL低矮式，其它为新晃SF立式明装型。图3-8为新晃SL低矮式风机盘管机组实物，图3-9为新晃SF立式明装型风机盘管机组实物。图3-8新晃SL低矮式风机盘管机组实物图3-9新晃SF立式明装型风机盘管机组实物

在设计过程中，所有供暖设备的参数均以WE系列热泵和新晃风机盘管提供的参数为准。下面就是设备的相关参数(供暖工况)：WE热泵：水源侧最高入口温度为35℃；风机盘管：水源侧温降为2～7℃；供水温度为40～60℃；水侧温降为4～8℃(在送风速度中速的条件下)。由于地热水的供水温度为47～52℃，当地热水用水量较小时，地热水在井筒和储水箱中会降温，在水处理过程中也会降温，因此实际供水水温T0约为(45～50)℃；在钛板换热器的两侧水流量相同的条件下，其对数换热温差为0.5～2.5℃；因此钛板换热器循环水出口温度T1为(43～48)℃。所以第一级直接利用的风机盘管供水温度为(43～48)℃风机盘管在额定流量条件下，供水温度为40～45℃时的温降在5℃左右，并且热泵的水源侧最高入口温度为35℃，因此，可初步确定风机盘管直接利用供暖部分为两级。以WE120型热泵为例，在负荷侧回水温度为43.3℃的条件下，热泵的水源侧温降是随着水源侧入口水温的降低而减小的。当水源侧入口水温为35℃时的温降为5.2℃。同时要求WE120样本提供的制热量与经济管理学院大楼办公区的热负荷匹配，应选用四台WE120热泵机组，串联运行。由上分析，可初步确定系统共分为六级，其中，风机盘管直接利用为两级，热泵间接利用为四级。水系统共有三个循环水路组成：地热水系统：地热水从生产井取出，经水处理设备、板式换热器回灌至回灌井。水源侧水系统：水源侧水经板式换热器与地热水交换热量后，经过直接利用一、二级后，然后依次进入3～6级的热泵水源侧，最后回到板式换热器，形成一个闭式水循环。负荷侧水系统：3～6级四台热泵的负荷侧水系统并联，负荷侧水汇合后送往供暖末端，然后回到热泵负荷侧，形成闭式水循环。负荷侧水系统为二级泵系统：第一级为变频泵，一用一备；第二级为五台水泵，其中四台水泵与热泵机组一一对应，另一台为备用泵。图3-10系统供暖原理图

2.夏季制冷系统的设计由于热泵具有制冷功能，因此在方案设计过程中，也可以考虑充分发挥热泵的作用，提高该系统的性能，在夏季为办公楼制冷。由于热泵自身的特性决定了它的制冷量小于制热量。但是在北京，夏季的冷负荷大于冬季的热负荷，这与热泵的特性正好相反。为了不增加冷水机组，节约资金，就只能为部分房间提供制冷，而对于一些已经安装空调的办公区则不用提供制冷了。夏季制冷的冷源为校内建造的两台冷却塔，同时在系统上应该做一定的改动。在冬季供暖的工况下，四台热泵的水源侧是串联运行；而在夏季的制冷工况下，应该将四台热泵的水源侧转变为并联运行，同时应关断地热水，开启冷却塔及其水系统。图3-11经管楼地热梯级利用供暖系统的冬夏季总原理图3.测试系统的设计为了测试整个系统的性能及系统控制、运行的需要，应该安装许多测试仪器。测试的主要参数包括：温度、流量、电量、压力。(1)温度T(℃)：温度传感器：铂电阻式，测量水系统的温度；棒式精密水银温度计：标准玻璃管水银温度计，精度℃。作为温度传感器的标定温度计使用。温度传感器主要用于测量工程水系统的每个水循环、各级以及主要设备的供回水温度。同时，为了检验系统运行的效果，在办公楼大厅、部分房间都应该放置温度传感器。(2)水流量L(m3/h):插入式切向涡轮流量传感器：单位m3/h，适用于测定流速为0.1～6m/s的水流量。主要测量地热水流量W1、水源侧水流量W2和负荷侧水流量W3、W4。旋翼湿式远传热水表：测试累积水量，通过自动检测程序转换为瞬时流量单位t/h。主要用于测量主要设备的旁通管水流量。(3)电量E(kWH)及电功率N(kW)：远传式电子式三相四线有功电度表：精度在以内。主要测量办公楼地热梯级利用系统的所有设备耗电量及电功率。4.控制系统的设计控制系统主要分为两部分：室温控制部分和机房控制部分。由于冬、夏季系统均采用风机盘管作为末端，所以其室温控制手段是相同的。而对于机房控制部分，由于四台热泵的运行方式会因为季节的转变而改变，部分控制参数会发生变化，这样会导致控制系统有较大的变化。因此，对于机房控制部分应将冬季和夏季分开说明。(1)室温控制部分：控制要求：调节、控制室内温度达到设计要求。控制执行机构分为－风机盘管三速手动开关：风机盘管的送风风速共分为高、中、低三档，用户通过风机盘管三速手动开关调节送风量，控制制热量，从而达到控制室温的目的；自动关断阀：在风机盘管回水管上安装了自动关断阀。由用户使用温度控制器设定室内温度，温度控制器可以根据室温的变化自动调节风机盘管供水支管上的自动关断阀开度，调节水量，从而达到控制室温的目的。(2)机房控制部分(冬季)：负荷侧供水温度的控制：负荷侧供水温度的控制主要是通过控制热泵的加/卸载达到目的。热泵的加/卸载要求如下：在供暖季，不同室外气温要求的负荷侧供水温度不同，因此必须把室外气温分为几个范围，针对不同范围的室外气温，给对应的负荷侧供水温度设定上限值和下限值。当控制热泵的加/卸载时，首先判断室外气温所处的温度范围，然后判断负荷侧供水温度，当其大于等于对应设定的上限值时，卸载一台热泵；当其小于等于对应设定的下限值时，加载热泵一台。因为气温是不断在变化的，所以以上条件由计算机控制程序每隔一段时间自动判断一次。时间间隔设为两小时。加/卸载热泵的顺序：在开启热泵前，应先启动地热水潜水泵、地热水管道泵、水源侧循环水泵。同时在程序中设定了不同的热泵运行台数对应的负荷侧二级变频泵开启率。启动相应的负荷侧一级水泵，开启负荷测二级变频水泵至设定的开启率，一分钟后启动热泵4。然后开启负荷侧相应的电磁阀M6、M5、M4，三分钟后，启动对应的负荷侧一级水泵，改变负荷侧二级变频水泵开启率至相应值，最后启动热泵3、2、1。而卸载时，应先关闭热泵1、2、3，再关闭对应的负荷侧一级水泵，改变负荷侧二级变频水泵的开启率至相应值，关闭对应的负荷侧电磁阀M4、M5、M6。然后关闭热泵4，再关闭相应的负荷侧一级水泵、负荷侧二级变频水泵。地热水尾水温度控制：在地热水供水管上安装了电动阀M1，通过温度的设置，可以调节电动阀M1的开度，调节地热水量，最终达到控制地热水尾水温度的目的。由于同时开启地热泵台数不同，对地热尾水温度的影响较大。因此应根据同时开启热泵台数的不同给定不同地热水尾水温度设定值。热泵冬季水源侧入口温度：由于热泵冬季水源侧入口温度要求小于35℃，否则机组会停机保护。因此必须控制热泵冬季水源侧入口温度。在热泵1冬季水源侧入口和热泵4冬季水源侧出口之间设置一旁通管，然后在旁通管上安装电动阀M3和一台管道泵，通过管道泵将热泵4冬季水源侧回水与热泵1冬季水源侧供水混合，达到降低热泵冬季水源侧入口温度的目的。当热泵冬季水源侧入口温度大于等于35℃时，开启电动阀M3和旁通管水泵，将尾水混入热泵1冬季水源侧供水管，使供水温度降低。当热泵冬季水源侧入口温度小于等于33℃时，关闭旁通管水泵和电动阀M3。(3)机房控制部分(夏季)：负荷侧的供水温度：负荷侧供水温度的控制是通过控制热泵的加/卸载达到目的。给定负荷侧供水温度夏季运行的上限与下限值，当其大于等于上限值时，加载热泵一台；当其小于等于下限值时，卸载热泵一台。热泵加/卸载的顺序与冬季控制要求相同。热泵水源侧供水温度：热泵水源侧供水温度的控制是通过对冷却塔的加/卸载达到目的。同样给定热泵供水温度设定的上限值与下限值。当热泵水源侧供水温度大于等于上限值时，加载冷却塔一台；当热泵水源侧供水温度小于等于下限值时，卸载冷却塔一台。以上条件同样由计算机控制程序每隔两小时自动判断一次。地热泵设备性能分析对于地热水用于供暖的地热梯级利用供暖系统，风机盘管和热泵是最常用的两种供暖设备。但由于地热梯级利用供暖系统的特殊性，这两种供暖设备的运行工况与设备额定工况并不一致，与一般的供暖、空调系统的运行工况也不完全一样。在这种特殊工况下，设备的性能与梯级利用供暖系统的设计，尤其是级数的确定密切相关。在经管楼地热供暖工程中使用的热泵设备是美国ClimateMaster生产的WE120型水-水热泵。对于用户来说，热泵最重要的性能参数便是COP值。其定义公式如下：

(3-1)上式中Q为热泵的制热量(KW)；

N为热泵的输入功率(KW)；

T为热泵放出热量时的温度(℃)；

T为热泵在吸收热量后再排出热量时的温度之差(℃)。对于地热梯级利用供暖系统的设计，热泵的水源侧温降也是一个非常重要的技术指标。水源侧温降的大小会直接影响到系统的级数。COP值和水源侧温降与水源热泵本身的设计特性和运行参数有关。热泵的制热量是随着制冷剂蒸发温度的升高而升高，随着制冷剂冷凝温度的降低也升高，但是制冷剂蒸发温度对制热量的影响远大于制冷剂冷凝温度对制热量的影响。这点充分说明了蒸发器侧(水源侧)供回水温度对制热量的影响远大于冷凝器侧(负荷侧)供回水温度对制热量的影响地热梯级利用供暖系统的技术性能在推广地热梯级利用系统的过程中，必须解决两个问题:第一就是系统的技术性能；第二就是系统的经济性。技术性能的优势一方面说明了地热梯级利用系统的可行性，让人们接受，另一方面可以为提高系统的经济性提供良好的技术依据；而在目前的市场经济社会，经济性也是决定一种新事物能否得到推广的关键性因素。5.系统的技术性能分析为了对系统进行技术性能分析，就必须在地热中试机房进行实验。因此研究人员在开启一台热泵的条件下对该系统进行了技术性能的分析。整个实验过程概述如下：（1）

实验是在水源侧水量和负荷侧水量均恒定的条件下，仅通过手动调节地热水侧调节阀，测量不同地热水量对应的系统性能参数；（2）数据采集是通过计算机采集和人工采集相结合完成的；（3）采集数据时间间隔为5分钟，且数据是让各个工况稳定后测得的。测试的稳定时间为2--3个小时，每个工况测试的时间是20分钟；（4）复测是在初测的工况基础上，再次降低地热水量，使地热尾水温度进一步降低，测试系统的与初测时工况相近的3个点；6.地热梯级利用供暖系统的经济性经济性主要包括两个方面：前期投资运行费用下面主要通过与其他常用系统这两方面的比较，来对地热梯级利用供暖系统的经济性做出评估。（1）前期投资比较通过计算地热机房的总造价和办公楼建筑面积总和，可以得出机房部分每平米造价，然后根据空调系统造价(室内末端)得出室内末端部分每平米造价，将两者相加，最后得出地热梯级利用系统的每平米造价。计算结果见表