地熱能的應用分析
隨著我國政府和社會公眾對保護大氣環(huán)境的越來越重視，城鎮(zhèn)中已經(jīng)普遍禁止采用中小型燃煤鍋爐供熱。因此，除了集中供熱的形式以外，急需發(fā)展其他替代燃煤鍋爐的供熱方式。地熱能就是能有效減少大氣污染的供熱和空調手段。地熱能從嚴格意義上說不是可再生能源。但是地熱能蘊藏十分巨大，幾乎取之不盡，所以是重要的新能源。據(jù)估算，其經(jīng)濟可開發(fā)資源總量約為5億標準煤。低溫地熱在供暖及生活供應方面有明顯的優(yōu)勢。
2.常用空調熱泵的種類及其特點
地源熱泵系統(tǒng)利用200M以內的淺層地殼中儲存的地熱能對建筑進行供熱與空調，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益。根據(jù)中華人民共和國國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB50366-2005)中的表述，根據(jù)地熱能采集系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。其中地表水地源熱泵系統(tǒng)受到自然條件和水源的限制。而地下水地源熱泵技術也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要當?shù)赜胸S富的地下水作為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電量將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，因此會造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。水資源是當前最緊缺、最寶貴的資源之一，任何對水源的浪費或污染都是不允許的。因此，發(fā)達國家對推廣應用這種系統(tǒng)已經(jīng)采取非常謹慎的態(tài)度。地埋管地源熱泵系統(tǒng)正是保留了地下水地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點，同時又避免了它的缺點的一種熱泵供熱空調技術，將成為地源熱泵供熱空調技術中的主導形式。
3.地埋管地源熱泵的工作原理
地埋管地源熱泵就是在地下埋設管道作為換熱器，管道與熱泵機組連接形成閉式環(huán)路。管道中有液體流動通過循環(huán)將熱泵機組的凝結熱通過管道散入地下(供冷工況)，或從大地吸取熱量供給熱泵機組向建筑物供熱(供熱工況)。
4.地埋管地源熱泵地下?lián)Q熱器的形式
地埋管源熱泵換熱器有多種形式，如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性：節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。
5.豎直埋管換熱器形式
最常用的豎直埋管換熱器就是由垂直埋入地下的U型管連接組成。如下圖所示：
豎直U型埋管的換熱器采用在鉆孔中插入u型管的方法，一個鉆孔中可設置一組或兩組u型管。
6.豎直埋管深度
豎直埋管可深可淺，須根據(jù)當?shù)氐刭|條件而定，如20m、30m……直到200m以下。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規(guī)模。例如天津地區(qū)地表土壤層很厚，鉆孔費用相對便宜，宜采用較深的豎直埋管，因深埋管的成本低、換熱性能好、并可節(jié)約用地。
7.豎直埋管材料
埋管材料最好采用塑料管，因與金屬管相比，塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點?？晒┻x用的管材有高密度聚乙烯管(PE管)，鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇，如DN20、DN25、DN32等。
8.豎直埋管換熱器鉆孔孔徑及回填材料
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達到預計深度，將制作好的u型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有u型管并聯(lián)構成地下?lián)Q熱器。
根據(jù)地質結構不同，鉆孔孔徑可以是φ100、φ150、φ200或φ300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用φ300孔徑。
回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。
9.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的冷(熱)負荷計算及其作用
地埋管地源熱泵系統(tǒng)空調房間設計冷、熱負荷(以下簡稱負荷)的計算方法與常用空調系統(tǒng)的完全相同?？蓞⒄宅F(xiàn)行有關規(guī)范和空調設計手冊進行。
設計負荷是選擇空調系統(tǒng)末端設備和熱泵主機容量及機房輔助設備的主要依據(jù)。但應當指出的是，地埋管地源熱泵系統(tǒng)中地熱換熱器容量的設計不僅與瞬時峰值負荷的大小及其延續(xù)時間有關，還與某段連續(xù)運行時間內的平均負荷有關。另外，地熱換熱器夏季傳遞到地層中的熱量與其冬季取自地層中的熱量是否平衡，在一定程度上也影響著地熱換熱器性能的好壞。如果這兩個熱量平衡，則地熱換熱器長期運行時，不會引起地層中熱量的積累而使其性能退化。因此，在負荷計算中應包括設計負荷計算，冬夏連續(xù)運行期間內的平均負荷計算以及夏冬季工況通過地熱換熱器傳遞到地層中熱量計算。
10.地源熱泵熱源系統(tǒng)的選擇與設計
熱泵熱源系統(tǒng)的選擇應遵守因地制宜、因工制宜，合理利用自然資源的原則。在冬季氣候溫暖、地下水豐富或有地表水可利用的地區(qū)，如我國南方地區(qū)，可優(yōu)先考慮地下水水源熱泵或地表水水源熱泵。反之，在冬季寒冷、地下水或地表水緊缺的地區(qū)，如我國北方大部分地區(qū)，地埋管地源熱泵應是優(yōu)先選擇的系統(tǒng)。
11.結語
地熱能的綜合利用既符合國家的能源政策，又可給業(yè)主帶來可觀的效益，因此，其開發(fā)潛力是非常大的。但目前不少工程存在諸如浪費資源、破壞環(huán)境、地熱利用率低、設備使用壽命短、管理不科學、設計水平低下等問題。這就要求我們在開發(fā)利用中端正態(tài)度，高度重視，合理設計，綜合應用，正確選材，優(yōu)化控制，力求做到開發(fā)與保護相結合，使其真正成為可持續(xù)發(fā)展的新能源，長久的造福人類。