地源熱泵

地?zé)崮軣岜眉夹g(shù)在高寒地區(qū)道路中的運(yùn)用

  0 引言
 
  地?zé)崮?/a>取之不盡用之不竭,有著巨大利用價(jià)值。地?zé)崮?/a>熱泵系統(tǒng),是一種利用地下地?zé)豳Y源進(jìn)行采暖、制冷、供熱水、發(fā)電等的系統(tǒng)。它只需輸入少量的電能,利用逆卡諾原理即可將能量由低溫熱源高溫?zé)嵩?/a>轉(zhuǎn)移。尤其是在冬季,可以吸取土壤中的熱量,再將溫度提高到一定程度后運(yùn)送到建筑物或者室內(nèi)用于取暖。將地熱能用于道路橋梁以及機(jī)場碼頭的融雪化冰和防凍,是一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新舉措,該技術(shù)的應(yīng)用推廣對高寒地區(qū)冬季保證道路橋梁以及機(jī)場碼頭的暢通具有十分現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)和社會意義。
 
  1 地熱能的原理與應(yīng)用
 
 
  深層地?zé)?/a>能可遇不可求,開采難度大,而淺層地?zé)崮?/a>遍布地球的任何角落。從地面20m到地下400m,地球存在著一個(gè)14℃~18℃的恒溫層,蘊(yùn)藏著取之不盡的能源。淺層地?zé)?/a>能已經(jīng)廣泛用于采暖制冷、供熱水、烘干、冷藏冷凍、種植養(yǎng)殖等領(lǐng)域,在不久的將來還會迅速用于發(fā)電。是融雪化冰和防凍技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)、最可靠的手段。
 
  1.2 地熱能的應(yīng)用
 
  人類利用地?zé)?/a>能的歷史悠久。20世紀(jì)中葉后,人們才開始真正認(rèn)識地?zé)豳Y源,并進(jìn)行較大規(guī)模的開發(fā)利用。之后,地?zé)崮艿睦帽阍谠S多領(lǐng)域中開展。地?zé)岚l(fā)電便是地?zé)崂?/a>最直接的方式。地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電所采用的基本原理是一樣的,但它們的不同之處在于地?zé)岚l(fā)電不需要消耗煤炭等燃料,而且也不需要龐大的機(jī)器設(shè)備。地?zé)峁┡?/a>因簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)性好,受到各國的重視。其中冰島開發(fā)利用得最好,1928年冰島建成了世界首個(gè)地?zé)?a href="http://xldcn.com/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng),現(xiàn)今地?zé)?a href="http://xldcn.com/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng)已發(fā)展得相當(dāng)完善,其技術(shù)的使用已經(jīng)非常成熟,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。
 
  但是,深層地?zé)?/a>能往往深藏在地下數(shù)千米,勘探開采成本和風(fēng)險(xiǎn)極高。而淺層地?zé)?/a>能開采簡單、維護(hù)容易、成本低廉,不受氣候環(huán)境的影響,在各種能源結(jié)構(gòu)中最具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,將成為新能源開發(fā)的主力軍。
 
  近年來,在國家大力扶持下,我國利用淺層地?zé)崮芄┡?/a>、供熱水和制冷等技術(shù)發(fā)展迅速,尤其是在北方城市,比如在京津地區(qū)。
 
  2 利用地?zé)崮艿年P(guān)鍵技術(shù)——熱泵
 
  目前地?zé)崮芾眉夹g(shù)主要是地源熱泵,其所具有的節(jié)能、環(huán)保特性,在國外已得到廣泛的關(guān)注與重視。我國在該領(lǐng)域的發(fā)展也已經(jīng)有十多年,但是總體技術(shù)水平仍然不及一些發(fā)達(dá)國家,地源熱泵技術(shù)的發(fā)展空間仍然十分巨大。因此在中國優(yōu)先發(fā)展高效熱泵循環(huán)系統(tǒng)、地?zé)釗Q熱等方面將會非常重要。另外,淺層地?zé)崮芘c其他能源互補(bǔ)循環(huán)、梯級利用智慧能源系統(tǒng),將把地?zé)崮荛_發(fā)推向一個(gè)新的階段。
 
  2.1 熱泵技術(shù)介紹
 
  地能熱泵,也稱作地源熱泵。主要分為地表水地下水和土壤源三種形式。在地下水和土壤相對穩(wěn)定的情況下,地源熱泵通過從地表水、地下水和土壤中換熱,實(shí)現(xiàn)熱量由低位熱能區(qū)向高位熱能區(qū)的轉(zhuǎn)移。
 
  土壤源熱泵工作原理如圖1所示:
 
  冬季利用熱泵機(jī)組從土壤熱能中吸收熱量,然后將其傳輸給地面的建筑物,給室內(nèi)或者其他空間提供暖氣;而到了夏季,熱泵機(jī)組恰好做一個(gè)相反的循環(huán)過程從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷。
 
  地能熱泵系統(tǒng)包括換熱系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)三部分。
 
  換熱系統(tǒng)在高寒地區(qū)要因地制宜綜合利用地?zé)釡厝?/a>、地下水和地下?lián)Q熱管路系統(tǒng)。
 
  地源熱泵系統(tǒng)不僅可以利用地表下層的相對穩(wěn)定溫度,全年可以高效地運(yùn)行取暖和制冷系統(tǒng),運(yùn)行成本極低;就地源熱泵系統(tǒng)本身來說,它采用的設(shè)備少又非常耐用,其相關(guān)部件都是深埋在地下和水中,受天氣或人為條件破壞的因素大大減少,穩(wěn)定性高。地源熱泵的制冷劑封閉在主機(jī)內(nèi)不會向外界泄露,不會對臭氧層造成破壞,有利于保護(hù)環(huán)境。地源熱泵能夠因地制宜,利用形式多種多樣,不拘泥于固定的模式。
 
  地能熱泵技術(shù)對克服高寒地區(qū)霜凍或者下雪天氣具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。
 
  2.2 地能熱泵技術(shù)在高寒地區(qū)道路橋梁中的運(yùn)用

        2.2.1 高寒地區(qū)特點(diǎn)
 
  高寒地區(qū)一般都是氣候寒冷,霜雪天氣時(shí)間比較長,道路橋梁易受到霜雪的影響產(chǎn)生凍結(jié),導(dǎo)致交通阻塞中斷。氣候較好的地方無霜期加起來也不超過一個(gè)月。這些地方的道路可能長時(shí)間處于凍結(jié)狀態(tài),而且低溫早霜危害出現(xiàn)的次數(shù)相對比較頻繁,一般3~4年出現(xiàn)一次。另外,在高寒地區(qū)存在著各種小氣候,有時(shí)雖然在同一座山,山上和山下的氣候就不一樣,而就同一個(gè)水平面范圍內(nèi),南邊和北邊的氣溫也會不同。
 
  高寒地區(qū)道路橋梁和機(jī)場碼頭冰雪凍結(jié)造成的交通事故和交通中斷,對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)以及人民生命財(cái)產(chǎn)危害極大。而開發(fā)利用我國大部分高寒地區(qū)蘊(yùn)藏的中高溫地?zé)豳Y源和隨處都有的淺層地?zé)豳Y源,完全可以解除這一憂患。
 
  我國高溫地?zé)崮苜Y源主要分布在藏滇地?zé)釒?/a>及臺灣地?zé)釒?/a>。藏滇地?zé)釒?/a>及臺灣地?zé)釒?/a>是環(huán)球地?zé)釒А刂泻!柴R拉雅地?zé)釒Ъ拔魈窖蟓h(huán)島地?zé)釒У慕M成部分。藏滇地?zé)釒挥谟《?、歐亞兩大板塊的邊界。在該帶內(nèi),目前已發(fā)現(xiàn)水熱活動區(qū)600余處。這里的水熱活動十分強(qiáng)烈,有大量熱泉、沸泉和噴氣孔等,水溫多接近或超過當(dāng)?shù)胤悬c(diǎn)。臺灣地?zé)釒挥谔窖蟀鍓K與歐亞板塊的邊界。島上地殼運(yùn)動活躍,第四紀(jì)火山強(qiáng)烈,地震頻繁,水熱活動區(qū)有100余處,100℃以上的有近10處。
 
  我國低溫地?zé)崮苜Y源廣泛分布于板塊內(nèi)部中國大陸地殼隆起區(qū)和地殼沉降區(qū)。在板內(nèi)地殼隆起區(qū),發(fā)育有不同地質(zhì)時(shí)期形成的斷裂帶,已經(jīng)多期活動,它們多數(shù)可成為地下水運(yùn)動上升的良好通道。大氣降水滲入地殼深部經(jīng)深循環(huán)在正常地溫梯度下加熱,常常在相對低洼的地方(山前或山間盆地、濱海盆地,多在河谷底部),沿活動性斷裂涌出地表形成溫泉。根據(jù)地殼隆起區(qū)溫泉的密集程度,目前可初步劃分兩個(gè)低溫地?zé)釒В礀|南沿海地?zé)釒Ъ暗岽ǖ責(zé)釒А?/div>
 
  東南沿海地?zé)釒挥谔窖蟀鍓K與歐亞板塊交接帶以西中國大陸內(nèi)側(cè),包括江西東部、湖南南部、福建、廣東及海南等地。這里有現(xiàn)代火山作用,但自中生代以來,地殼運(yùn)動活躍,深斷裂發(fā)育。東南沿海地?zé)釒俏覈蜏?a href="http://xldcn.com/t/溫泉.html" >溫泉最為密集的地帶,集中分布的溫泉就有500余處。溫泉水溫大多介于40℃~80℃之間,也有少量80℃以上的。
 
  滇川地?zé)釒挥谟《扰c歐亞兩大板塊交接帶以東,縱貫滇川南北,沿南北構(gòu)造帶展布。這里,新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,地震頻繁。分布在該帶的溫泉共有100余處,南段較密集,溫度多在60℃以上,個(gè)別達(dá)90℃,北段較稀疏,水溫多在60℃以下。
 
  其他地區(qū),如山東半島、遼東半島、河北山地、太行山、秦嶺、天山北麓、四川盆地的東南部、柴達(dá)木盆地東部等,溫泉也較集中,水溫大多在60℃以下,少數(shù)溫泉區(qū)水溫可達(dá)80℃~90℃。
 
  高寒地區(qū)往往也是地?zé)崮?a href="http://xldcn.com/t/資源.html" >資源最豐富的地區(qū)。這些地?zé)?a href="http://xldcn.com/t/資源.html" >資源和淺層地?zé)豳Y源應(yīng)用熱泵技術(shù)綜合利用,是解決高寒地區(qū)道路、橋梁、機(jī)場、碼頭冬季融冰化雪的正確途徑。
 
  2.2.2 寒冷地區(qū)道路橋梁恒溫裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
  (1)熱負(fù)荷的確定
 
  寒冷季節(jié)道路橋梁和機(jī)場碼頭熱負(fù)荷以保證道路路面和橋面暢通,24小時(shí)不結(jié)冰、不積雪為目標(biāo)。熱負(fù)荷要根據(jù)分時(shí)測定的室外土壤溫度、路(橋)面溫度、空氣溫度、濕度、風(fēng)速、交通量進(jìn)行計(jì)算分配,保持路面溫度隨時(shí)處于融雪溫度以上。
 
  (2)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
  道路橋梁融冰化雪所需的熱量巨大。在有地?zé)釡厝Y源的地方,應(yīng)當(dāng)首選地?zé)釡厝Y源,其次利用地下水資源,最后才考慮用地埋管換熱系統(tǒng),同時(shí)與太陽能集熱系統(tǒng)和大型冷回收冷凍系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。在有熱電廠或其他廢熱資源的地方,充分利用熱泵進(jìn)行余熱回收來采集熱源。一般情況下,盡量使用多種能源互補(bǔ)綜合利用,以獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。
 
  熱源量要在廣泛調(diào)查勘探道路沿線各種熱能資源的分布和可采量的基礎(chǔ)上,進(jìn)行全面技術(shù)、經(jīng)濟(jì)論證。
 
  (3)末端放熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
  末端放熱系統(tǒng)用來維持道路路面和橋梁橋面的融雪環(huán)境溫度。末端放熱系統(tǒng)布置在道路路面或橋面的結(jié)構(gòu)層下面和道路兩側(cè),也可以設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)在道路的兩側(cè)直接吹刷路面。在越嶺線的埡口路段,應(yīng)同時(shí)配置這兩種放熱系統(tǒng),確保積蓄熱能及時(shí)融雪化冰。末端放熱系統(tǒng)按不同的放熱方式釋放熱負(fù)荷。
 
  為了既保障融冰化雪又最大限度地節(jié)約能源,換熱系統(tǒng)與放熱系統(tǒng)要通過主機(jī)進(jìn)行智能動態(tài)控制。
 
  由于道路線長面廣,不同的氣候和地質(zhì)條件使道路的恒溫裝置受到多方面因素的影響,需要先進(jìn)行典型路段的試驗(yàn)。
 
  3 結(jié)束語
 
  高寒地區(qū)道路、橋梁、碼頭、機(jī)場的融雪化冰,是長期困擾這些地區(qū)交通發(fā)展的老大難問題,嚴(yán)重阻礙了這些地區(qū)的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)。而高寒地區(qū)往往也是地?zé)崮苜Y源最豐富的地區(qū)。這些地?zé)豳Y源淺層地?zé)豳Y源以及其他多種可再生能源通過熱泵技術(shù)循環(huán)利用,完全可以解決高寒地區(qū)道路、橋梁、機(jī)場、碼頭的融冰化雪,保持交通暢通,為這些地區(qū)的人民帶來福音。