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产业报告2021丨供热技术路线的经济适用性评价:一、供热技术经济适用性评价之地热能供热

发布者:CHIC | 日期:2021-12-24 | 来源:CHIC | 阅读:1489

第四篇 供热技术路线的经济适用性评价

一、供热技术经济适用性评价

3.不同供热方式评价

3地热能供热

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体等热资源。地热资源是一种可再生的清洁能源。在新能源和可再生能源大家族中,地热资源具有储量大、分布广、清洁环保、稳定性好、利用系数高等特点,是一种现实并具有很强竞争力的新能源。地热能分为浅层地热和中深层地热。地热供暖是我国地热利用的主要形式。

①浅层地热供热

技术原理。浅层地热能(亦称地温能)指自然界江、河、湖、海等地表水源、污水(再生水)源及地表以下200米以内、温度低于25℃的岩土体和地下水中的低品位热能,可经热泵系统采集提取后用于建筑供热(冷)。浅层地热通常不能直接利用,需要通过地源热泵或空调系统消耗机械能提高或降低温度,实现冬夏两用。

按所取能源的类别可分为:地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵。回收浅层地热能的热泵系统常用的构建方式为开路循环和闭路系统,开路系统抽取地表水(地下水)在换热器中与热泵循环液进行换热;闭路系统换热一般在水体中进行。前者造价低,系统简单,但是换热器易结垢。后者应用广泛,投资稍高。水体中的换热器容易结垢。

以地源热泵为例子,说明其工作原理。地源热泵空调系统主要分为三个部分:室外地能换热系统、水源热泵机组系统和室内采暖空调末端系统三个部分(如图4-8)。其中水源热泵机组主要有两种形式:水—水型机组或水—空气型机组。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递,水源热泵与地能之间换热介质为水,与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵工作原理是:冬季,热泵机组从地源(浅层水体或岩土体)中吸收热量,向建筑物供暖;夏季,热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中,实现建筑物空调制冷。根据地热交换系统形式的不同,地源热泵系统分为地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

图4-8 地源热泵采暖示意图

技术特点。一是应用广泛,地源热泵系统可供暖、空调制冷,还可提供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统,特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物,减少了设备的初投资。二是可无人值守,自动控制程度高,可远程管理,无须雇用人员看管。三是维护简单费用低,地源热泵系统运动部件要比常规系统少,因而减少维护,其系统埋在地下或安装在室内,不暴露在风雨中,也可免遭损坏,更加可靠,延长了寿命。四是节省空间,没有冷却塔、锅炉房和其它设备,省去了锅炉房,冷却塔占用的宝贵面积,产生了附加经济效益,并改善了环境外部形象。

技术经济性。因为影响地源热泵使用经济性的因素有很多,如电价、用户或居民行为、气候条件以及例如非正常的炎热或寒冷季节等其它因素。地源热泵技术在为家庭居民带来舒适的同时还可以高效节能,设计安装良好的地源热泵浅层地热供热成本约在15元/平方米,可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。

发展现状。在全国范围内,除港澳台地区外,31个省(自治区、直辖市)均有开发浅层地热能的地源热泵系统工程。截至2019年,我国浅层地热能建筑应用面积约8.41亿平方米,位居世界第一,80%集中在华北和东北南部地区,包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等省市。截至2018年,北京约有2000万平方米的建筑利用浅层地热能供暖和制冷,沈阳已超过4300万平方米。2016年北京市共完成663个村庄、22.7万户的煤改清洁能源项目,其中应用地源热泵进行改造的为2139户。

适用范围。地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣,是一种理想的“绿色空调”,被认为是可使用的、对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。浅层地热主要技术类型包括:地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统等。目前这三类技术均已基本成熟且实现了大规模商业化应用。可广泛应用,包括办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅、工业厂房、游泳馆、温室大棚和景观水池等多个场景。

②中深层地热供热

深层地热能包括地下深度200~3000米的地热能及地下深度3000米以上的干热岩所具有的热能,来自深部地层的25℃~150℃的热水及150℃以上的干热岩,是地球本身放射性元素衰变产生的热能,主要是由地壳深部开凿出的“热、矿、水”三位一体组成的极为宝贵的自然资源具有稳定、连续、利用效率高等优势,是一种清洁可持续利用的能源。其温度较高主要用于发电、供暖等生产、生活目的,技术已基本成熟。欧美国家有很多用于发电,我国则多用来直接供热,这种地热能品位较高,但受地理环境及开采技术与成本的影响较大。近年来,由于能源紧缺及环境问题的日益凸显,在未来能源供应与二氧化碳减排上具有巨大潜力的中深层地热资源,受到世界各国高度重视。

取自中深层的热水温度范围为25℃~150℃,应根据实际取出热水的温度高低选择不同的应用技术,主要有直接利用地热水供热技术、地源热泵技术、吸收式热泵技术及增强型地热系统。其中直接利用的场合,应采用梯级利用,即地热水按照用户需要的供热水温,温度由高到低,分别与用户需求对应。直接、间接利用的地热尾水,可以再利用地源热泵或者第二类吸收式热泵技术。提高地热尾水温度,用于供热。

技术原理。中深层地热能供热是指通过人工钻井的方式开采热储中的地热水、通过供热系统将地热水蕴含的热量传输到用户端的一种供热方式。主要技术类型有直接供热、间接供热、调峰供热、地热制冷等;其中直接供热对地热水质要求较高,容易对供热系统及末端装置产生腐蚀、结垢阻塞等影响,目前已很少采用;间接供热和调峰供热已经实现大规模商业化应用,地热制冷尚处于研发阶段(如图4-9)。

图4-9 中深层地热供热原理示意图

地热水间接式供热系统主要由三个部分组成,第一部分为地热水的开采系统,包括地热开采井和回灌井,调峰站以及井口换热器;第二部分为输送、分配系统,作用是将被加热的水引入建筑物;第三部分包括中心泵站和室内装置,将地热水输送到中心泵站的换热器或直接进入每个建筑中的散热器,必要时还可设置蓄热水箱以调节负荷的变化。间接式供热系统的地热水不直接通过热用户,而是经过热交换器将热量传递给供热管网循环水。由于地热水不经过供热管网,热用户中只有内部水循环,有利于散热器的热交换,又可防止地热水对散热器的腐蚀。在规模较大的集中地热水供热工程中推荐采用间接式供热系统。缺点是由于增加了换热站,循环水进入热用户的温度会比地热水的出水温度低。两者之间的温度反映了换热站的温度损失,一般约为5%。在循环水被地热水加热之后可以再通过锅炉加热用于调峰,由于再地热井和热用户之间加入了一个换热器,供热系统相对复杂,系统造价较高。

在中深层地热供热中,普通换热器从地热水中提取热量时,可利用的温差是有限的,而经过换热后的地热尾水温度在40℃~50℃,很难再用来直接供热,导致尾水温度过高。尾水直接排放到环境中,不仅造成了资源的浪费也造成了环境热污染。利用热泵,可以从低温地热尾水中提取热量,从而降低地热尾水的排放温度,增大地热水利用温差,提高地热利用效率。

地热+热泵机组技术。热+热泵机组供热是利用深井潜水泵从开采井提取地热水,经地热管线送至一级直供换热器,利用一级换热器进行热交换将热量传递给供热循环水,温度降低后的地热水送至二级换热器,进行二次换热将热量传递给二级板换与热泵蒸发器侧之间的循环水,为热泵机组提供热源,经二级换热器换热后的地热水由输水管线送至回灌井进行回灌;经一级换热器换热和热泵机组制热后获取热量、温度升高的供热循环水,经供热管线送至热用户、供热用户利用,温度降低后的供热循环水由供热管线输送至一级换热器和热泵机组冷凝器侧进行换热获取热量、提高温度,如此周而复始循环。该工艺相对复杂、造价较高,生产运营成本也较高,热泵机组作为调峰承担热负荷不宜过高,地热能利用率较高。

地热+热泵机组+锅炉供热是利用深井潜水泵从开采井提取地热水,经地热管线送至一级换热器,地热水利用一级换热器进行热交换将热量传递给供热循环水,温度降低后的地热水送至二级换热器,进行二次换热将热量传递给二级换热器与热泵蒸发器之间的循环水,为热泵机组提供热源,经二级换热器换热后的地热水由输水管线送至回灌井进行回灌;经一级换热器换热和热泵机组制热后获取热量、温度升高的供热循环水热量和温度仍然不能满足需求,需进一步利用调峰锅炉加热升温,然后经供热管线送至热用户利用,温度降低后的供热循环水由供热管线输送至一级换热器和热泵机组进行换热获取热量、提高温度,然后再次由锅炉加热升温,如此周而复始循环。地热+热泵机组+调峰锅炉供热工艺复杂、造价高,生产运营成本高。

技术特点。可以同时满足生活热水以及工业生产用热的要求。具有系统简单、运行经济,地热水温度和用户使用温度基本匹配,能源利用效率高,可操作性强等优点。但是也存在一些不足,地热水出水温度受地热井的条件限制,温度比较固定,由于地热水的开口热力系统性质,在获取地热水中热量的同时,存在地热水的排放或回灌问题。

技术经济性。中深层地热地埋管热泵供热技术供热成本约为40元/ 平方米。

发展现状。21世纪初,我国中深层地热供暖面积仅1100万平方米。近10年来,中国水热型地 热能直接利用以年均10%的速度增长,已连续多年位居世界首位。截至2019年底,中深层地热能利用持续增长,北方中深层地热供暖面积达到2.82亿平方米,同比增长12.4%。河北、天津等省市发展较快地区供暖面积均超2000万平方米。位于河北雄安新区的雄县建成了世界规模最大的单个地热田地热供暖项目,供暖面积达530万平方米,县城区域基本实现了地热集中供热全覆盖,成为我国第一个“无烟城”,打造了技术可复制、经验可推广的“雄县模式”。通过尾水完全回灌,雄县实现了“取热不耗水”的能源化、规模化开发利用,提升了各界对于地热可再生能源属性的认知,成为中国地热产业的发展亮点,目前正在全国加速推广。

适用范围。主要适用于地热资源条件良好、冬季寒冷有供热需求或夏季炎热有制冷需求的地区。长江经济带沿线居民清爽度夏、温暖过冬需求为浅层地热能发展提供广阔市场空间。长江经济带多数区域属于夏热冬冷地区,冬季潮湿阴冷,随着经济社会的发展与人民生活水平的提高,居民供暖需求日益旺盛。该区域地热资源丰富,特别是江河湖泊等地表水系发达,适宜采用地表水源热泵系统(俗称水空调)供暖制冷。目前,上海世博轴、重庆江北城CBD区域(400万平方米)、南京江北新区(建成后1600万平方米)、武汉汉口滨江CBD区域(一期230万平方米)均采用地表水源热泵系统供暖制冷,未来市场空间广阔。





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