地热模型（精选9篇）
地热模型 篇1
0 引言
浅层地热能是一种新型可再生能源, 它来源于地球内部的热量和太阳辐射。浅层地热能广泛存在于岩石、土壤、水源等许多介质中, 位于地表200m以内的恒温带内。它的开采是随着全球能源危机和环境问题的凸显而逐步发展起来的一项能源及环境保护技术, 它的研究对于严重依赖石化能源经济快速发展的中国而言尤为重要。
国内外许多学者及单位在浅层地热能的研究中进行了不懈努力并取得了丰硕成果[1~3]。当前浅层地热能的主要利用方式有地表水源为热源的水源热泵和以地表岩石、土壤介质为热源的土壤源热泵两种。本文的研究对象是单井循环换热地能采集井[4], 是一种原创性的适用于多种地质条件的新型浅层地热能开发技术。这种单井循环浅层地热能开发方式结合了上述前两种传统地能采集方法的优势, 实现了循环水在同一含水层的完全回灌, 从而成功实现了单井循环浅层地热能的开发。该设备生产成本较低, 无水体污染, 检修方便, 便于在有浅层地下水的地区推广, 实现了真正的绿色能源利用。由于我国浅层地热能分布地域广泛、资源丰富, 开展此项研究并大力开发这种单井循环浅层地热能对于保障能源安全、降低环境污染具有重要意义。
本文建立了单井循环换热地能采集井完整的概念模型和数学模型, 对于深入理解其数学原理、水文地质及物理过程, 高效开发利用这种单井循环浅层地热能具有重要意义。
1 单井循环换热地能采集井的物理概念模型和多孔介质特征
1.1 物理概念模型
单井循环换热地能采集井是以循环水作为介质采集地下温度低于25℃的热能, 实现了地下水的同层完全回灌。这种井不消耗也不污染地下水, 因此对于地下水体质量是安全的。
这种地能采集井分为有蓄能颗粒类型和无蓄能颗粒类型两种。
有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的物理过程为, 循环水由绝热井壁内部抽水区的潜水泵抽出排走并送入热泵机组经过放热或者吸热后, 由热泵机组返回进入地能采集井上部的加压回水区内部。水流在绝热井壁与隔离膜之间有蓄能颗粒的环形空间内流动, 大部分进入下部抽水区, 一小部分透过孔壁的隔离从加压回水区通过渗透流到土壤介质中, 最后从抽水区回流。地能采集井的所有回水透过绝热井壁下部的花管由潜水泵抽走送回热泵机组。
无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井中绝热井壁与隔离膜之间的空间没有蓄能颗粒, 充满介质水, 其余部分的构造和传质传热物理过程与有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井相同, 见图-1。
1.2 多孔介质特征
单井循环换热地能采集井的多孔介质总共包括两种, 一种是绝热井壁与隔离膜之间充满蓄热颗粒, 其特点是有良好的蓄热性能。蓄热颗粒的蓄热系数很大, 亦即热流波动的振幅与温度振幅的比值很大。另一种是隔离膜外侧的饱和土壤多孔介质, 其作用是通过水与蓄能颗粒之间交换热量和水即传热传质。可见单井循环换热地能采集井是含有两种多孔介质的对流传热传质的水热耦合体, 水在其中发挥着最重要作用。
2 单井循环换热地能采集井的数学模型
单井循环地能采集井中的有蓄能颗粒采集井的数学模型仅有多孔介质一种计算区域, 无蓄能颗粒采集井则包括多孔介质和充水两种计算区域。其数学模型的选取较为复杂, 前者用考虑固体骨架的流体动力学模型即可, 后者除此之外需增加湍流模型用以计算只充水的计算区域, 当充满的水为层流状态时则湍流模型退化为层流模型计算。可见典型的单井循环换热地能采集井中存在三种流态的区域, 即水介质中的紊流与层流两种流态和土壤 (蓄能颗粒) 中的层流流态, 见表1。
2.1 有蓄能颗粒地能采集井的数学模型
2.1.1 控制方程
由于有蓄能颗粒单井循环地能采集井各部分皆为多孔介质, 其中充满的流体是水。水在多孔介质中流速非常缓慢, 按粘性不可压缩的层流模拟计算。多孔介质内水的流动考虑固体骨架, 遵循质量守恒方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程[5]
(1) 质量守恒方程
式中, γ为多孔介质的孔隙度, ρ为流体密度, t为时间变量, Vi为流体的速度张量, i=1, 2, 3。
(2) 动量守恒方程
式中, p为流体静压, τjk为应力张量, j, k=1, 2, 3, g为重力加速度, Sm为多孔介质的动量源项, γ, ρ, t, Vi含义同 (1) 式。
(3) 能量守恒方程
式中, Ef为多孔介质中流体总能量, Es为多孔介质中固体骨架总能量, hi为多孔介质中流体及各种固体骨架的焓, Ji为多孔介质中流体及各种固体骨架组分i相对于质量平均速度每单位面积的质量流量, i=1, 2, …, Sfh为流体的焓源项, p, γ, ρ, t, τj k, Vi含义同 (1) 式, ke为多孔介质的有效热传导率, 根据计算区域中流体热传导率和固体骨架热传导率加权求得。显然当孔隙率为100%时上述方程退化为不可压缩流体的层流控制方程。
2.1.2 定解条件
定解条件种类较多, 在实际工程中可根据具体情况列出, 常见的定解条件如下。
(1) 初始条件
计算流场处于静止状态, 即初始时刻速度V (0) 为零, 初始时刻压强P (0) 为外界大气压P0, 初始时刻温度T (0) 为常量T0, 表达式如下
(2) 边界条件
1计算域的进口边界
进口流量Qin为常量Q1, 即
进口温度Tin为常量T1, 即
进口压强Pin为常量P1, 即
2计算域的出口边界
出口流量Qout为常量Q2, 即
出口温度Tout未知, 不予设定, 由已知条件计算得到。
出口压强Pout为常量P2, 即
3计算域的其他边界
土壤等温外边界Г1及绝热外边界Г2表达式如下。
定热流密度边界条件如下
边界上的流场速度V为零, 即
式 (12) ~ (15) 中, T表示边界Г1的温度, q表示边界Г2的热流密度。
2.2 无蓄能颗粒地能采集井的数学模型
2.2.1 控制方程
无蓄能颗粒单井循环地能采集井计算区域分为有多孔介质计算区域和无多孔介质计算区域两部分。两部分分别采用不同的控制方程。
(1) 有多孔介质计算区域。
无蓄能颗粒单井循环地能采集井的土壤多孔介质的流动属于层流, 其控制方程与有蓄能颗粒单井循环地能采集井的控制方程 (1) ~ (4) 式完全相同。
(2) 无多孔介质计算区域。
无蓄能颗粒单井循环地能采集井的进水加压管和抽水回水管部分无多孔介质, 全部充满水, 采用粘性不可压缩紊流的标准K-ε模型[5]。
K-ε微分方程的通用形式为下式
式中, t为时间变量, ρ为流体密度, φ为所研究的任一因变量, Vi为流体速度张量, i=1, 2, 3, Гф是扩散系数, Sф是源项。方程 (16) 中的4项分别是非稳定项、对流项、扩散项及源项, 有关内容详见有关文献。
2.2.2 定解条件
在初始条件和进口及边界中增加湍流动能k和湍流动能耗散率ε条件, 其它内容与2.1.2中内容相同。
3 单井循环换热地能采集井的计算模型与参数设置
3.1 计算模型的假设条件
单井循环地能采集井模拟计算需做以下合理假设:
(1) 土壤的固体骨架和流体之间瞬间完成了换热过程;
(2) 土壤的固体骨架和流体皆为均质、各向同性或各向异性的连续介质;
(3) 充满的流体介质是不可压缩的水体, 水按紊流条件设置。当水的雷诺数达到层流条件时流动模式退化为层流;
(4) 水在无蓄能颗粒计算区域与有蓄能颗粒计算区域相交界面处为层流状态;
(5) 惯性力只有方向向下的重力加速度;
(6) 在动量方程中把多孔介质作为计算域的一个源项计算来简化流体及传热的编程计算;
(7) 模拟计算时采用的是流体的表观速度, 而非流体在固体骨架孔道中的实际速度, 这样可方便计算;
(8) 模拟计算时不考虑计算域上界太阳辐射、与大气热交换等热力过程可方便计算, 更有利于反映问题的物理本质。
计算模型的假设条件在实际工程中结合具体情况需做出调整, 经过科学假设反复论证后方可确定。
3.2 数值计算方法
浅层地热能利用的研究方法主要有现场试验方法、热储量估计法、解析方法、数值模拟方法, 上述方法的组合等。其中数值模拟方法包括有限单元法、有限体积法、边界元法、混合元法等, 有关内容可参阅相关资料, 在此不再赘述。
在计算流体力学领域广泛采用的是有限体积法, 它是将计算区域划分为许多控制体积, 然后把偏微分方程对每个控制体积进行积分得出离散方程。有限体积法的关键问题是在离散过程被求函数及其导数的分布作出假定, 求得的离散方程的系数物理意义明确且具有守恒性, 该方法由于计算量较小使得计算效率较高[6]。
近年来, 随着数值传热学及计算流体力学的迅猛发展, 许多相关的专业软件已被开发应用, 可以采用CFX, FLUENT, STAR2CD, ANSYS软件。当计算区域内部为均质、各项同性介质时也可以采用MATLAB软件求解上述偏微分方程组, 并能绘制出与计算结果对应的图形。
3.3 物理模型
以有蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井为例说明概化的物理模型。设研究区直径为100m, 深度为50m的三维圆柱形径向对称区域, 单井循环地能采集井位于几何中心的上部, 井深20m, 见图2。地能采集井的进口流量分别为50L/s和80L/s, 进水温度分别为30K, 290K。土壤温度及土壤外边界按恒温为计, 隔离膜和绝热内壁之间的圆环状腔体中充满蓄热颗粒及水, 隔离膜外是土壤介质, 另有进水口、潜水泵抽吸水口, 地能采集井内壁为绝热边界条件。
3.4 几何模型
以图2的区域为例说明几何模型的建立, 本例采用合适的软件建立研究区空间模型后, 再用网格划分软件将研究区域生成一定数量的矩形单元网格, 外边界的每条边为一个面, 每个交叉点为单元的节点。其中靠近地能采集井的区域划分网格时密度较大, 以满足计算结果的精度要求, 详见图3、图4。当计算区域是三维时, 其几何模型通常情况下则需划分为三维网格。
3.5 参数设置
设置计算模型的类型主要包括流态 (层流或紊流) , 是否属于稳定流, 重力加速度大小及方向, 是否考虑温度等。
计算区域内需要设置参数的介质包括水、土壤、蓄能颗粒。
(1) 水
需要设置温度、密度、比热容、粘性系数、标准状态焓值、标准状态熵值。
(2) 蓄能颗粒
需要设置密度、比热容、热传导系数、孔隙度、粘性阻力系数, 惯性阻力系数。
(3) 土壤
需要设置密度、比热容、热传导系数、孔隙度、粘性阻力系数, 惯性阻力系数。
定解条件的设置包括:初始时刻速度、初始时刻压强、初始时刻土壤温度、进口水流量、出口压强、土壤边界温度、绝热边界热流密度、边界上的流场速度、土壤外边界的粗糙常数。
由于水在多孔介质中流速非常慢, 属于层流流态, 蓄能颗粒和土壤固体骨架的粘性阻力系数1/a计为
式中, 1/a是粘性阻力系数;g是重力加速度;K是渗透系数, μ是水的运动粘性系数。
惯性阻力系数C2计算时可借用化工专业中常用的欧根公式, 仅考虑层流项后简化为下式:
式中, C2是惯性阻力系数;Dp是颗粒的当量直径;ε是多孔介质的孔隙率。由于多孔介质中层流流态的惯性阻力系数很小, 主要是粘性阻力系数起作用, 可取一个较小值或径直取零计算。上述步骤完成后进行模拟计算即可得到所需的一系列结果。
4 结论与建议
本文主要给出了有蓄能颗粒和无蓄能颗粒的单井循环换热地能采集井的物理及水文地质模型和数学模型, 为定量计算提供了理论依据。
由于单井循环换热地能采集井的传热传质过程复杂性, 进行温度计算时需采用数值模拟的方法。准确模拟、预测土壤及出水介质的温度值对于浅层地热能开发的理论研究及生产实践具有重要的指导意义和参考价值, 相比模型试验及现场试验可节约大量资金且工期短。
本文给出了理想的单井循环换热地能采集井的数学方程、数值计算方法、计算模型、几何模型、包括常量和变量在内的各参数赋值方法等的完整过程, 把水文地质过程、水动力过程、传热传质过程统一在一个数学模型中更便于进行研究。在实际研究生产过程中结合观测资料和微分方程参数反演, 通过模型识别得到反应实际状况的数学模型, 按照上述方法即可模拟计算并求解以供生产研究使用。
通过给数值模型中的各参数赋予不同数值从而得到不同的结果, 由此分析不同水文地质参数、热力学参数、水动力参数对单井循环换热地能采集井的影响, 这为地能采集井设计中的参数选择提供了主要依据。
通过基于单井循环浅层地热能开发的数值模拟与分析, 有利于深化对它的科学认识。
单井循环浅层地热能开发数值模拟的科学进行也有赖于对流动与换热过程中有关强迫对流、自然对流、热传导、热弥散理论的进一步发展。流体力学与传热学中各种湍流模式发展促进热能学科的发展就是一个有力的证明。
单井循环换热地能采集井技术已在包括中国国家大剧院在内的国内外许多重要工程中得到应用, 获得了良好的经济效益和社会效益。通过对其进行数值模拟分析可以更有效的利用这种绿色能源来造福人类社会, 为人口-资源-环境的可持续利用与发展提供有力的支持。
参考文献
[1]李铎, 武强.南定地热田成因及影响因素探讨[J].中国矿业大学学报, 2002, 31 (1) :53~57.
[2]李亨, 张锡文, 何枫.论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法[J].石油大学学报 (自然科学版) , 2000, 24 (5) :111~116.
[3]卢予北.水源热泵开发浅层地热能回灌问题研究[J].水电能源科学, 2011, 29 (7) :126~128.
[4]北京市地方标准.单井循环换热地能采集井过程技术规范 (DB11/T 9350-2012) [S].北京:北京市质量技术监督局, 2011.
[5]徐江容, 裘哲勇.热流过程的数学模型和数学模拟[M].北京;国防工业出版社, 2012.
[6]陶文铨.数值传热学 (第二版) [M].西安:西安交通大学出版社, 2001.
地热模型 篇2
组 员:
李庆庆 范怡然 李 京 苑亚欣 李雯霏 孙 怡 杨宵宵 戚雪洁 杨 倩 杨 露
内容摘要:
近年来，我们了解到许多国家在对地热能的利用方面已经获得了较好的经济收益。可见地热资源的开发与利用具与极大意义。目前地热能在全球很多地区的应用相当广泛，开发技术也在日益完善。南宫地热是怎样开发的，是否运用先进的技术，是否合理的运用，成为了我们心中的谜团，为此我们决定对南宫地热资源的利用与开发进行深入调查。
调查中我们运用了文献研究法,实地考察法和调查问卷法.通过这些方法是我们深入了解更多有关地热方面的知识的研究方案。
通过我们的调查与研究,我们得出了一份详细的地热资源利用调查报告，并亲自动手设计制作展览了一份相关内容的科普小报。
关 键 词: 地热资源 利用 发展 利用原理 开发
前 言: 发达国家在对地热能的利用方面已经获得了较好的经济收益。利用地热进行供暖，既缓减能源压力，同时将很大程度地减少由燃油和煤炭供暖所造成的空气污染。北京对地热资源的开发利用逐年增长, 目前地热和产井已增至100多眼, 开发单位上百家, 设备取水能力已
超过6000m3/h, 年开采地热水总量已达1000′104m3,主要用于采暖、洗浴、医疗保健、休闲娱乐、温室种植、水产养殖、房地产开发等方面并已形成了一定规模。北京地热资源具有可持续利用的巨大潜力。对于地热能的利用，包括将低温地热资源用于浴池和空间供热以及用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热，同时还可以利用干燥的过热蒸汽和高温水进行发电，利用中等温度水通过双流体循环发电设备发电等，目前这些地热能的开发应用技术已经逐步成熟，而且对从干燥的岩石中和从地热增压资源及岩浆资源中提取地热能的有效方法进行研究可以进一步提高地热能的应用潜力，但是目前地热能的勘探和提取技术还有待改进。我们将对南宫地热资源的利用与发展进行全方位研究。
正 文: 调查内容:
研究内容：发达国家在地热能的利用方面已经获得了较好的经济收益。利用地热进行供暖，既缓减能源压力，同时将很大程度地减少由燃油和煤炭供暖所造成的空气污染。北京对地热资源的开发利用逐年增长, 目前地热和产井已增至100多眼, 开发单位上百家, 设备取水能力已超过6000m3/h, 年开采地热水总量已达1000′104m3,主要用于采暖、洗浴、医疗保健、休闲娱乐、温室种植、水产养殖、房地产开发等方面并已形成了一定规模。北京地热资源具有可持续利用 的巨大潜力。对于地热能的利用，包括将低温地热资源用于浴池和空间供热以及用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热，同时还可以利用干燥的过热蒸汽和高温水进行发电，利用中等温度水通过双流体循环发电设备发电等，目前这些地热能的开发应用技术已经逐步成熟，而且对从干燥的岩石中和从地热增压资源及岩浆资源中提取地热能的有效方法进行研究可以进一步提高地热能的应用潜力，但是目前地热能的勘探和提取技术还有待改进。我们=对南宫地热资源的利用与发展进行了全方位研究。具体包括以下内容：
1重点研究问题：地热回灌。在地热资源开发初期，由于人们认识不够，开采手段不完善，一般未能制定科学合理的开发方案，致使地热田过量开采，热储水位下降迅速，地热资源严重浪费。为有效控制水位下降，保护地热资源，在世界先进国家如美国、新西兰、冰岛已研究出一系列新的地热开发利用方法，其中回灌开采已成为地热开发管理中最重要的手段之一，并得到广泛应用，获得良好效果。我们通过采集资料，实地访问参观对南宫地热的回灌情况有了深入地研究。
2温泉水处理。
(1)处理目的：利用地热水一般应依据水质条件及用途作相应的处理, 使设备保持良好的状态, 延长使用寿命。
(2)处理方法：地热水除理方法视水质和用途而定, 处理方法可分为物理方法和化学方法两大类: 物理方法包括: 过滤法--用于清除地热水中的沉淀物;氧气隔离法--严格控制地热利用系统中地热水与空气的接触, 不使氧进入热水系统, 达到防腐目的;涂防腐涂料法--对接触地热水的设备喷涂防腐涂料, 达到防腐目的;利用特种材料如不锈钢、陶瓷、塑料等不易腐蚀的材料制成的设备。处理实例：采用先进的设备和技术，可以提高资源的利用效率和寿命。例如，计算机控制可以代替人力优化管理，除铁、除硫化氢等技术可以改善水质，如地热研究所在南宫做的地热井水处理实例。3热泵工程关键点：工程场地勘察——场地条件、水文地质条件（水量、水温、水质）技术可行性分析——冷热指标确定、冷热负荷计算、主机设备选型、水源水量计算,取水回灌设备——设备下入位置.4当地居民对南宫地热资源的了解与认识程度。包括问卷调查法、实地考察法等。我们希望通过对南宫地区地热资源的现状进行调查分析，了解观光农业的来源、发展与前景。同时，对身边的南宫地区观光农业深入了解。在调查的进过程中，普及观光农业知识，宣传地热资源，让人们更加了解观光农业，在调查后的分析数据中，对南宫地区地热资源现存的优势和缺点进行分析，以此促进其发展。同时，通
过小组问卷调查增强团队合作意识，培养组织与实践能力，锻炼对事物的判断研究能力，使综合素质与能力得以提高。
调查方法: 1．文献法：了解地热资源利用的相关背景，为实地考察深入研究打下基础。上网搜索时提取权威信息，为保证研究的正确性，需对所搜资料信息进行筛查，保证有科学依据。作出ppt与调查报告。责任人：范怡然、李京、孙怡、杨宵宵
2．实地考察：根据文献法发现的问题，小组成员进行有针对性的考察。可以采访水世界，地热博览园的工作人员，更深入地具体地了解利用情况。
责任人：戚雪洁、杨倩、杨露
3.调查问卷:向当地居民发放问卷，相关意见可以以图表方式呈现。最后进行组员报告，提取有效结论，纳入总结论中。
责任人：李庆庆 范怡然 李 京 苑亚欣 李雯霏
孙 怡 杨宵宵 戚雪洁 杨 倩 杨 露
问卷调查数据分析: 关于南宫地热资源的开发与利用问题，我们展开了一系列调查。分析结果如下：
1、你是否知道地热资源？55.3%的人知道。可见，如今地热资源已被大多数人所熟知,完全不知道地热资源的占了少数.2、对地热资源的开采有什么看法？70.20%的人认为应该支持地热资源的开采，对人类有贡献。可见，大多数的人都支持里热资源的开采与利用,并且承认了地热资源对人类的贡献.3、是否关注地热的发展，是否对地热资源的来发怀有期待？63.83%的人期待地热的持续发展，并且希望能给南宫的居民们造福。
4、是否知道地热资源的工作原理？结果是，只有25.53%的人知道原理。可见，人们对于地热资源开发的原理大多数都只是略知一二。
5、对于南宫地热资源的水温感觉如何？48.94%觉得有些低，所以这方面应该多与工作人员协调。
6、是否能接受南宫地热资源的价位？42.50% 可以接受，31.90% 有些贵。其实这个问题还是要从多方面考虑，现如今，地热资源贫乏，而且开采集术又费时耗力。价格基本是根据这个定的，所以有多方面来考虑可能就不会觉得贵了。
7、认为地热资源的利用能否帮助已经靠此致富的南宫地区经济继续发展？很多人认为,地热的开采与利用虽能问南宫人创造财富,但不能一直维持南宫认的生活.8、认为选择回灌井的原则是什么？多数人同意同层回灌和一层回灌相结合。
9、认为回灌技术的原因是什么？多数人选择“充分利用资源，提高利用率”。可见，大多数人都对南宫的地热资源充满了希望。
结论与建议:
地热模型 篇3
自20世纪60年代开始, 国内外很多学者[3—10]对油气生产井、注水井、注蒸汽井等井筒温度场进行了研究, 理论模型与求解方法都比较成熟, 但地热井的井筒温度场研究还是空白。笔者结合现有地热井井身结构建立地热井井筒温度场计算模型, 并通过现场实测井温剖面数据对模型进行了验证。分析井温剖面数据找出地热井井筒热损失的主要原因, 在此基础上提出几种改进的完井管柱结构, 并通过温度模型对采用不同完井管柱结构的案例进行了计算, 由计算结果对比优选出最经济有效的完井管柱结构。
1 地热井井筒温度场模型
砂岩储层地热井的井身结构如图1所示, 一开下套管固井, 二开直接下套管, 仅封固一开与二开套管重叠区域的部分层段, 三开悬挂筛管或滤水管取水;泵室段在一开套管内, 热水潜水泵直接在套管内吸水, 并通过泵管 (普通油管) 输送至地面。
1.1 建立模型
对于井筒流体的温度分布, 在处理方法上, 一般均以第二界面 (即水泥环或套管外壁与地层之间的接触面) 为界, 将传热分为两部分:井筒中的传热和井筒周围地层的传热。第二界面处的温度是这两部分联系的纽带。将井筒中的传热看作是稳定传热, 井筒周围地层中的传热视为非稳定传热, 井筒热损失是一个非稳定过程[9,10]。
应用传热学知识与能量平衡原理, 在井筒上任意取一段长为dl的微元段建立地热井温度场计算模型。地热井生产过程中, 产液沿井筒上升时, 由于向周围岩石散热, 其温度逐渐降低。能量平衡方程式为:
式中, W为产出液水当量 (流量与比热容之积) , W/℃;T为产液温度, ℃;Kl为产出液与井筒外地层间的总传热系数, W/ (m·℃) ;Te为地层温度, Te=Ted-ml, ℃;Ted为井底地层温度, ℃;m为地温梯度, ℃/m;l为从井底向上起算的距离, m;Q为体积流量, m3;ρ为流体密度, kg/m3;C为流体比热容, J/ (kg·℃) ;ri为与流体直接接触的管壁内半径, m;U为基于单位面积的总传热系数, W/ (m2·℃) 。
1.2 总传热系数计算
井筒产液温度分布及井口温度计算的准确度与总传热系数的准确度相关, 因此, 总传热系数的精确确定非常重要。总传热系数的确定需要根据每口井的井身结构和环境参数进行实际计算。总传热系数值没有一个固定的大小, 它受很多因素的影响。总传热系数的计算过程与前人工作大体一样[10], 只是热传递的方式和热阻项的组成存在差别。如图1所示, 根据产出液与地层的传热热阻的不同, 将整个井身分为3段, 不同井段导致热损失的热阻项组成如表1所列, 由式 (4) ~式 (7) 分别计算总传热系数。
式中, ke为地层导热系数, W/ (m·℃) ;Us为基于单位面积的稳态传热系数, W/ (m2·℃) ;ro为与流体直接接触的管壁外半径, m;f (t) 为瞬态传热函数, 无因次;hf为内部对流传热系数, W/ (m2·℃) , 系数hf与流体和管道内壁之间的热量传递有关, 流体类型和性质、流速和管道直径决定了这个参数的计算[10];α为地层热扩散系数, 1.03×10-6m2/s;τ为加热 (或冷却) 作用的时间, s。
将环空视为充满固体, 固体比环空实际流体的热传导率稍高。然后将环空热阻视为仅由热传导引起, 环空自然对流传热系数可由式 (7) 计算。
式 (7) 中, hc为自然对流传热系数, W/ (m2·℃) ;rto为泵管外半径, m;rci为套管内半径, m;kfc为环空中流体的导热系数, W/ (m·℃) 。kc=2.5。
1.3 边界条件
边界条件为:l=0 (在井底) 时, T=Td。
2 模型的求解方法
微分方程的通解为:
由边界条件得解析解:
选择合适的步长, 分别将3段井身从井底到井口分成等长的N3, N2, N1段, 以产水层顶部为起始点往上计算, 先求出每段的Kl, 再求对应的T, 直到井口。
3 温度场模型验证
为了验证所建立的温度场模型的准确性, 利用该模型对现场一口砂岩孔隙型地热井的井筒温度分布进行了预测, 计算用地热井参数如表2所示, 预测温度与实测温度进行了对比, 如图2所示。
由图2可以看出, 利用所建温度场模型可以精确预测地热井沿井筒温度分布, 整个井段温度预测误差均不超过1.66%, 产出液井口预测温度为61.3℃, 实测温度为60.3℃, 误差仅为1℃。
4 地热井完井管柱结构优选
对比图1和图2不难发现, 一开套管底端至泵口这一段有较大内通径, 产出液在此处与套管接触面积大, 即传热面积大, 因此总传热系数值大, 且近表地层环境温度较低, 导致产出液与环境温度温差较大, 最终导致热量损失严重;产出液流经该段时, 由于内通径大, 导致流速较慢, 滞留时间较长, 因此传热时间较长, 热量损失较多。
针对现有地热井井身结构的上述弊端, 在不改变井身结构、减小施工风险和成本的前提下, 仅通过改变完井管柱和环空介质而改变产液的环空传热方式, 如图3所示, 将热水泵由外吸水式改为内吸水式, 在其下端连接泵管至二开段, 且泵管与二开套管间用封隔器进行密封。在此基础上, 设计以下四种完井管柱结构, 其完井特征如表3所示, 利用所建的温度场模型进行计算对比。
环空中存在介质不同, 则从油管外壁向套管内壁的传热方式也不同。可能存在两种传热方式, 即热辐射及热对流。在大多数情况下, 油管和套管之间辐射的影响都会忽略掉。但当环空中含有气体或空气时存在例外, 会出现比较大的温度梯度, 这就是自然对流。环空中的温度差产生环空流体中的局部密度差, 从而引起自然对流的产生。假设油管壁比套管壁热, 最靠近油管的流体的密度会比更远处流体的低, 它会在环空中有向上流的趋势, 然而, 既然在环空中没有总体流动, 在接近套管壁处一定会有相应的向下流动。有限体积中的自然对流是一个复杂的现象, 尤其是在本质上代表无限高的管道的井内环空中会更加复杂。
当环空全部被空气充满时, 环空的传热方式为自然对流和辐射, 自然对流传热系数hc由式 (7) 计算, 式中kfc为空气的导热系数, 值为0.027 W/ (m·℃) ;辐射传热系数hr由式 (8) 计算。
式 (11) 中, Ftci为由油管外壁表面向套管内壁表面的辐射散热有效系数, 代表吸收辐射的能力;σ为黑体辐射常数, 5.67×10-8W/ (m2·℃4) ;εto, εc为油管和套管表面黑度, 取0.9;T*为相应的热力学温度, K。εto和εci的数值大小依赖于表面光洁度和其他变量因素, 进行精确计算比较困难。此外, 由于计算中套管外表和套管内温度都必须已知, 故计算过程必须采用迭代法。
泵管外隔热层的传热系数hi由式 (12) 计算。
式 (12) 中, ti为涂层厚度, 值为0.003 m;rio为涂层特定层的外径, m;ki为涂层材料的导热系数, 值为0.018 W/ (m·℃) 。
计算结果如图4所示, 由于只有0~450 m的井段采用了不同的完井管柱结构改变了传热方式, 因此, 450 m以下井段的温度剖面是一样的;井口温度从高到低对应的依次为方案4、方案3、方案2、方案1、原方案, 说明完井管柱和环空介质的变化能有效的改变传热系数, 减少热量损失, 提高井口温度;方案1相比原方案, 只是改变了完井管柱结构, 井口温度有大幅度提高;方案2、3、4在方案1的基础上改变了环空介质, 方案2、3的井口温度相比方案1的井口温度增幅较小, 方案4的增幅较大;虽然方案4的井口温度最高, 但从施工成本和材料成本考虑, 认为方案1最经济有效。
5 结论
(1) 根据现有地热井的井身结构, 综合考虑传导、对流、辐射等传热方式, 建立了地热井井筒温度场计算模型, 并通过现场测试数据证实了模型的可靠性。
(2) 分析认为现有地热井热损失大的主要原因是一开套管底端至泵入口这一段传热系数大, 对此有针对性的提出了4种新的地热井完井管柱结构, 温度场模型计算结果表明这些方法均能有效减小井筒热损失, 提高井口产液温度。
(3) 使用隔热材料保温效果最为显著, 但价格昂贵是制约其在地热井应用的最大瓶颈。
摘要：地热井的保温增效及节约成本问题成为了制约我国地热产业规模扩大化、产业升级化、能源结构优化的瓶颈之一。为此, 结合地热井井身结构特点, 建立井筒温度计算模型, 通过现场测试数据对模型进行验证, 井口产液温度误差仅为1℃。针对地热井热损失严重的井段, 提出新的完井管柱结构, 建立与之对应的案例;并应用所建温度模型和传热系数计算方法对所建案例进行计算。计算结果表明:改变完井管柱和环空介质能显著降低井筒热损失, 仅改变完井管柱就能将井口产液温度提高6.1℃, 使用隔热材料的泵管更能将井口产液温度提高10.1℃, 最终从施工成本和材料成本考虑, 优选了最经济有效的完井管柱。研究成果对地热井保温增效开发具有指导意义。
关键词：地热井,温度场,完井管柱,传热方式,优化
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地热工作总结 篇4
自2013年九月份来到XXX公司已经四个月了，刚离开学校的我就能来到西藏新能源应该算是很幸运吧，不仅是因为这里给了我很好的学习环境，更因为这里就像一个家，家里的每一个人都很友善，都那么乐于助人。所以，即使离开了学校，我也没有感觉到“前辈们”口中的社会残酷，很快的适应了这里的生活、工作。
我所在的部门属于安生部，这段时间里，我主要是在羊八井地热电厂工作，主要负责地热机组的正常运行。
四个月来，我作为一名地热电厂运行人员，努力学习专业技术知识，严格遵守各项运行规程，虚心求教，团结同事，不断提高工作能力，干好本职工作，现将这段时间的工作加以总结：
一、工作认真负责，敬业爱岗，以公司理念要求自己，诚信待人，踏实做事，服从领导安排，始终以积极认真的心态对待工作。刚开始，由于对工作的不够熟练，很多简单的事搞的复杂了。后来又积极调整自己的工作思路，遇到不懂的问题就像“前辈”请教，抓住重点，认真学习，弥补自己的不足。
二、技术上用心钻研，理论上熟记操作规程；实践上严格遵守运行规程，培养独立操作能力，保证不发生误操事故，把工作中遇到的问题和取得的经验、注意的事项随时记下来，虚心向师傅、专工请教，虽然已能独立上岗了，但深知要想把电气知识学透学精，还需要时间的磨练、知识的积累，循序渐进，一月才比一月强。即使休息期间，也利用间歇时间，不忘看电气专业书籍，做到身不在岗心在岗，还充分利用网络资源，查看有关文献，开阔视野，继续充电，希望在上岗后能以新的认识高度对待工作。
三、能力包括协调能力和处理事故能力，若说“技术”比作“智商”的话，那么“能力”就可比作“情商”，电气专业亦是如此，智商高就不见得情商高，因为技术是死的，能力是活的。
四、积累工作经验。工作的过程也是学习的过程，积累的过程。在保证机组安全运行的同时，也要不断学习，慢慢积累工作经验。
五、建议：
1、安全设施能否更加完善、细致一些，设定设备误动保护措施，故障演习预案，防患于未然。
2、加强机组自动化程度，最好能充分利用网络资源，让其物尽其用。
3、现在都讲环保意识，作为热力发电企业，是否也能集思广益，制出更加节水的措施，充分实行水的再循环和再利用，这只是我不成熟的想法，因个人能力有限，还需要师傅及专工的专业技术知识来看待。
xxx年即将到来，新的一年有新的开始，有新的压力，制定新的合理目标才有新的突破。
1、继续钻研电气专业技术，提高事故处理能力。
2、干好本职工作的同时，了解其他专业知识，争取早日达到公司的“全能培训”目标。
3、继续发挥团结协作精神，强化华润理念，鞭策自己有更高的认识和发展。
2013年xx月xx日
地热模型 篇5
1 地质背景
1.1 地质构造
禹城市在大地构造单元上属于华北陆块 (Ⅰ级) , 齐河-广饶断裂将其分为两部分, 北部地区位于华北拗陷区 (Ⅱ级) 、济阳拗陷区 (Ⅲ级) 、惠民凹陷 (Ⅳ级) 、临邑凹陷 (Ⅴ级) ;南部地区位于鲁西地块 (Ⅱ级) 、鲁中隆起区 (Ⅲ级) 、泰山-沂山隆起 (Ⅳ级) 、阳谷-齐河凸起 (Ⅴ级) [2]。
1.2 地层
禹城市位于济阳拗陷区和鲁中隆起区内, 济阳拗陷区地层发育齐全, 鲁中隆起区缺失古近纪、侏罗-白垩纪、志留纪、泥盆纪[3]。根据石油钻探和人工地震解译资料在3000m深度范围内的地层主要有古生界寒武-奥陶纪、石炭-二叠纪、古近纪沙河街组和东营组、新近纪馆陶组和明化镇组、第四系平原组。
2 水文地质特征
2.1 热储类型与热源
根据载热流体的储集空间类型的不同, 可将区内热储划分两种热储类型:1) 新生界碎屑岩孔隙-裂隙热储;2) 下古生界寒武-奥陶纪碳酸盐岩岩溶-裂隙热储。
热源主要来自地壳深处及上地幔的传导热。根据物探资料, 该区为莫霍面相对隆起区, 可从地球内部向地表传导相对较高的热流量, 有利于地下水升温。热储盖层为第四系和新近系明化镇组, 前者主要为粉砂质粘土和粘土质粉砂组成, 后者主要由粘土岩、粉砂岩互层构成, 热导率低, 粘土或粘土岩单层厚度大, 一般在2.0~50m, 是良好的隔水层和不透水层, 使热能得以保存和储集[4]。
2.2 热储层划分
在3000m深度内可划分5个热储层 (组) , 按热储的地层时代由新至老依次为:
1) 新近纪明化镇组下段孔隙-裂隙型热储层 (组) ;
2) 新近纪馆陶组孔隙-裂隙型热储层 (组) ;
3) 古近纪东营组孔隙-裂隙型热储层 (组) ;
4) 古近纪沙河街组孔隙-裂隙型热储层 (组) ;
5) 寒武-奥陶纪碳酸岩岩溶-裂隙热储层 (组) 。
根据区内地热资源开发利用程度及钻孔资料, 确定新近纪馆陶组热储、古近纪东营组热储和下古生界寒武-奥陶纪热储为本区主要热储。
2.3 热储层水文地质特征
2.3.1 新近纪馆陶组热储
新近纪馆陶组地层特征是粒度上细下粗。上部为紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹浅灰色、灰色、灰白色细砂岩、中粗砂岩;中部为灰色细砂岩及红棕、灰黄色砂质泥岩, 下部以中-细砂岩层为主, 夹有紫红色砂岩及泥岩层。古近纪东营组岩性主要为褐色、暗紫色、红褐色粉砂岩、泥岩夹浅棕红色、灰白色中细砂岩层。该套热储层为本区齐广断裂以北重要开采目的层。热储层有多层含水层, 一般有20多层, 累计厚度可达200~300m, 属砂岩孔隙及孔隙-裂隙型, 孔隙度为25.6%~34.0%, 含水丰富, 矿化度及温度较高。
2.3.2 下古生界寒武-奥陶纪热储
主要是碳酸盐岩的石灰岩、白云岩类的岩溶-裂隙孔隙及岩石的古风化壳。岩性以厚层质纯灰岩、云斑灰岩为主, 其中奥陶纪顶部马家沟组灰岩主要有八陡段质纯灰岩、云斑灰岩;阁庄段泥灰岩、白云质灰岩;五阳山段的厚层灰岩、云斑灰岩[5]。马家沟组的八陡段、五阳山段灰岩质纯硬脆, 裂隙岩溶发育且连通性好, 富水性较强, 地热水矿化度3~4g/L, 水化学类型为SO4-Ca型, 受断裂构造性质及岩溶发育程度的控制, 单井出水量变化幅度大, 平均50~80m3/h。
2.4 传热导水通道
禹城市处于地震强度Ⅶ度区, 齐河-广饶断裂在该地热田中部通过。该断裂西起聊城-兰考断裂交汇处, 沿NEE向经禹城南、济阳北至广饶南, 向东延伸与益都断裂相交, 呈弧形展布, 是Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级构造单元的分界断裂。走向NEE, 倾向NW, 倾角60°~80°, 断距为1200~2000m, 为南盘上升、北盘下降的正断层, 北盘沉积了巨厚的新生界, 南盘则缺失古近纪。该断裂形成于中生代以前, 新生代活动性增强, 沿断裂带有间歇性的基性岩浆岩活动, 是规模较大的断层, 且区内还有临邑-惠民断裂、临南断裂等较大断裂存在, 是地下水的良好储集场所及地下水运移的良好通道[6]。
2.5 热储模型
本区属层控型低温地热田, 该地热田范围广大, 在垂向上将新近纪馆陶组、古近纪东营组和下古生界寒武-奥陶纪视为独立的, 上下均为隔水层、水平方向上无限延伸的储热层 (组) , 呈多层状;热储盖层分别为其上伏地层;热源主要为地球内部的传导热流;地热水的补给源为大气降水在周边山区形成的地表迳流的一部分通过山前断裂构造向深部地层渗透, 成为深部含水层的补给源, 此外, 各含水层之间有极其微弱的水交换活动。其热储模型如图1所示。
1.第四系, 2.新近系明化镇组, 3.新近系馆陶组, 4.古近系东营组, 5.古近系沙河街组, 6.石炭-二叠系, 7.寒武-奥陶系, 8.侧向补给水源, 9.深循环上升热流, 10.断裂部位集中热流, 11.均一背景热流, 12.地层不整合线.
3 地球物理化学特征
3.1 地温场特征
3.1.1 恒温层地温特征
根据区域研究成果, 该区域恒温层埋深一般在20m左右, 且变化不大。由区内机民井系统测温结果表明, 在禹城市南部伦镇、莒镇、李屯乡一带恒温带地温值较高, 一般大于14.0℃, 其余大部分地区, 地温值也较高, 一般在13.0~14.0℃。
3.1.2 地温梯度变化特征
地温梯度在水平方向上总的规律是南高北低、南北高中间低, 在齐河-广饶断裂两侧呈条带状。工作区仅在莒镇南部的司庄等区域地温梯度值大于3.6℃/100m, 莒镇的袁营、贾庄、杨集等区域地温梯度值在3.5~3.6℃/100m, 邵庄、安子、丁庄等区域地温梯度值在3.4~3.5℃/100m, 李屯镇、伦镇等区域地温梯度值在3.3~3.4℃/100m, 辛寨、药王、李怀泉庄、张庄、辛店北侧等区域地温梯度值在3.2~3.3℃/100m, 梁家、安仁、房寺等区域地温梯度值在3.1~3.2℃/100m, 在禹城市外围、十里望乡、善集、千户屯等区域地温梯度值在3.0~3.1℃/100m, 禹城市城区及周边地区地温梯度值较低, 在3.0℃/100m以下。因此, 本区地温梯度值在平面上的变化趋势与基岩的埋深具有明显的正相关关系, 在基岩埋藏浅处地温梯度略高, 在基岩埋藏深处地温梯度略低。
3.2 地球化学特征
地下热水化学特征反映了地下热水同围岩之间的溶解与溶滤作用, 同时体现了岩浆活动、大气降水入渗及含水层之间的补给等因素。据大量地质资料显示, 本地区矿化度在6~12g/L, 属咸水;p H值为7.2~7.5, 属中性水;总硬度 (以Ca CO3计) 为2561.65~2580.95mg/L, 属极硬水。地下热水中主要阳离子为Na+和Ca2+, 其含量大致为3250~3430mg/L和750~820mg/L;阴离子主要为Cl-和SO42-, 其含量大致为5150~6252mg/L和506~1672mg/L, 地热水水化学成分较为复杂, 但水平方向上的水化学组分变化甚微。按水化学类型定名原则, 该区地下热水普遍属于SO4·Cl-Na型水。
3.3 地热流体的年龄及成因
地热流体各组分之间的比例系数可以用来判断地热流体的成因, 常用的比例系数有γCl/γBr、γNa/γCl等。经计算区内地热流体γCl/γBr=2131.28, γNa/γCl=0.91, 这些系数都大于海水 (γCl/γBr=300、γNa/γCl=0.85) , 说明本区的地热流体具有大陆溶滤水的特征。
据同位素分析测试结果, 区内馆陶组地热水中δD‰平均含量为-64, δ18O‰平均含量为-9.1, 其D、18O关系点均稍位于中国大气降水线之上 (δD=7.7δ18O+7.5) 如图2所示。说明区内馆陶组地热水起源于大气降水[7], 后来在漫长的地质年代中, 接受下部地层中蒸汽的稀释作用。
区内馆陶组地热水的氚含量很低, 平均含量3.2±1.4Tu, 地热水中14C年龄为1.548万年。由于14C分析水样的采集过程或多或少地要与现代大气接触, 现代大气中的CO2进入所采集的水样中, 使所测年龄要远小于地下水的实际形成年龄。由此可见, 区内馆陶组地热水的形成年代久远, 其补给途径长, 迳流速度缓慢。
3.4 地热流体质量评价
经采用拉申指数法与腐蚀系数法对区内东营组地热水进行评价分析, 禹城市城区东营组地热水对金属具强腐蚀性, 对混凝土无分解性与结晶性侵蚀;地热水无碳酸钙、硫酸钙垢与硅酸盐水垢;热水含有多种对人体健康有益的微量元素, 其中溴、锂、偏硅酸达到矿水浓度, 锶达到命名浓度, 属锶理疗热矿水[8]。
4 结论
1) 禹城市地热田被齐河-广饶断裂将其分为南北两部分, 北部地区位于临邑凹陷 (Ⅴ级) ;南部地区位于阳谷-齐河凸起 (Ⅴ级) 。
2) 该区热储盖层为第四纪和新近纪明化镇组, 齐广断裂以北热储层主要为新近纪明化镇组下部、馆陶组、古近纪东营组地层;以南主要为新近纪馆陶组、下古生界寒武-奥陶纪热储层 (组) 。断裂构造是本区出现地热异常的主要因素。
3) 该区的地温梯度主要受构造控制, 禹城市城区地温梯度值相对较低, 区内地热资源较丰富。地下热水矿化度在6~12g/L, 地下热水普遍属于SO4·Cl-Na型水。
4) 本区地热水属大气成因, 具有大陆溶滤水的特征, 主要接受大气降水补给。其补给源除一部分为盆地沉积物形成时保存下来的沉积水和封存水外;另一部分为沉积物形成后, 在漫长的地质时期中, 由远近山区的大气降水补给。
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地热模型 篇6
地热水是埋藏于地壳岩石的孔隙、裂隙和溶洞中温度超过25℃以上的地下水。地热水资源属于有限制的可再生资源, 可以通过回灌达到原有的平衡状态, 如采取合理的开发利用方式, 则是一种取之不竭、用之不尽的清洁能源。鞍山市总面积9 251 km2, 辖海城市、台安县、岫岩县、千山区及城区。除台安县及城区没发现地下热水外, 其余地区均开发利用了地热水资源, 按其所处地质构造位置和分布上的特点, 划分为鞍山地热区、岫岩地热区。在鞍山地热区内, 由东向西, 依次建立了千山倪家台地热水保护区、汤岗子地热水保护区、海城市东四方台西荒地地热水保护区。
1 鞍山地热区地质概况
1.1 地 层
区内出露地层主要为太古界鞍山群和下远古界辽河群, 它们构成了本区的结晶基底。沿基底断裂带或山间盆地有中上元界青白口系、震旦系, 古生界寒武系沿积。在西部平原区, 尚有古生界奥陶系, 中生界株罗系、新生界第三系和第四系沉积。
1.2 岩浆岩
区内岩浆活动强烈, 以太古代和早-中侏罗纪花岗岩为主, 还有前震旦纪镁-铁质侵入岩以及晚期花岗斑岩、闪长岩, 煌斑岩等脉岩。
1.3 地质构造
大地构造位置处于华北地台上的3个Ⅲ级构造单元的交接部位。北侧为太子河凹陷, 南临营口-宽甸隆起, 西侧下辽河凹陷。Ⅳ级构造单元为鞍山凸起。由于多期构造运动的叠加, 区内构造复杂, 褶皱断裂构造均很发育。
1.4 水文地质特征
地热水主要赋存于千山花岗岩构造裂隙中, 各地热水区均沿寒岭断裂由东向西依次展布, 构成了近东西向的地热带。地热区地热水储存部位是第四系松散层和基岩构造裂隙, 地下水的补给方式以大气降水直接渗入补给和大气降水汇聚成地表迳流后再补给为主。
2 鞍山地热区地热资源评价
鞍山地热区包括千山倪家台地热田、汤岗子地热田和海城市西荒地热水区, 在估算各热田地热水资源量时, 对地热田基底顶板等深线, 等温线图及各热田地热井地温垂向变化特征进行分析, 同时结合鞍山市水利局提供的各地热区勘察实测数据, 从而确定各类参数。
2.1 地热水存储量计算
地热水储存量计算公式如下:
式中:W总为热储系统内储存的地热水总储存量, m3;W容为热储层演示孔隙中的地热水容积, m3;W弹为承压热储层弹性储存量, 即惹出在开采过程中, 由于减压后从热储介质中释放出来的热水量, m3;A为热储面积, m2;H为热储厚度, m;ϕ为热储层岩石孔隙度, %;μ*为热储层储水 (或释水) 系数 (无因次) ;h为热储层自顶板算起的承压力水头高度, m。
计算参数的确定是选取鞍山地热资源勘察所获取的实测数据, 在不能满足计算需要的情况下, 引用了鞍山地热区以往的各项地质勘查工作所取得的实测参数。从而计算得出倪家台地热田地热水存储量为1.528 8亿m3, 汤岗子地热田地热水存储量为1.511 3亿m3, 海城市西荒地热水区地热水存储量为2.116 0亿m3。
2.2 地热水可开采量计算
2.2.1 倪家台地热田地热水可开采量
采用稳定流平均布井法, 公式如下:
式中:Q开为地热田地热水可开采量, m3/d;A为地热田面积, m2;R为单井开采影响半径, m, 取倪家台地热水保护区单井开采影响半径为350 m;n为地热田布井数;Qi为单井地热水可开采量, m3/d, 取倪家台地热井可开采量38 m3/h为代表值。
通过公式 (2) 计算出倪家台地热田热水可开采量为2 978 m3/d。
2.2.2 汤岗子地热田地热水可开采量
汤岗子热田分为东、西两个热储, 两者之间在现勘深深度内无水力联系, 分别利用下降漏斗法计算设计开采量, 而后相加成为全热田的开采量, 按下式计算:
式中:Q允为推算的区域允许开采量, m3/d;S允为设计的区域漏斗中心允许水位下降值;a为区域内开采量等1 000 m3/d时水位下降值;Q开为区域实际开采量, m3/d;S为与Q开相对应的区域最大水位降深值, m。
选取汤岗子热田东部热储T1-1号、T2-1号、T3-1号井, 由于分布较为集中, 分别形成小漏斗。以井深当权, 计算各小漏斗的最大降深值的加权平均值, 作为东部热储的最大水位下降值, 各井开采量的代数和, 作为区域实际开采量。计算结果如表1。
西部热储以T4-1号井水位降深9.52 m当作实际开采量1 081.7 m3/d的区域漏斗最大水位下降值。分别计算西、东部热储地下水单位水位下降值a西=8.80, a东=31.49。
将计算出的a值, 代入下降漏斗法计算公式, 分别计算西部热储、东部热储设计区域漏斗中心允许水位下降值条件下的允许开采量, 如表2。
汤岗子地热区地热水开采量为东、西热储两者预测允许开采量之和, 为2 496.9 m3/d。
2.2.3 海城市西荒地热水区地热水可开采量
(1) 容积储存量, 计算公式如下:
式中:Vv为容积储存量, m3;V为热储体体积, m3;n为热储岩体的裂隙率, 取值为5%;A为楔形底面积, m2;M为楔形体高, m。
根据科研结果, 热储体形状为楔形体, 式中A为楔形底面积, 2.6 km2, 按地震法浅层水温异常, 土汞异常面积确定。M楔形体高, 以西荒地热水区推算的地热水循环深度选定, 取值2 600 m。
从而计算结果V=3.38×109 m3, 则Vv=1.69×108 m3。
(2) 弹性储水量。
因热田储热体形状认为是楔形体, 故取弹性储水量的一半作为西荒地热水区的可开采量, 为2.130 2×107 m3。当热储层的储水系数取值为1.005 6时, 计算热田可开采量为7.843 7×107 m3, 取其平均值为4.986 9×107 m3。
(3) 井孔水量的计算。
以实际试验资料 (依据各井孔抽水试验、放水试验实际资料) , 计算含水层井孔出水量, 如表3。
注:井孔过水段直径ф168 mm以上。
西荒地热水区与汤岗子热田之西部热储具有很强的相似性, 从而作比拟分析, 结果认为西荒地热水区单井开采量大于3 600 m3/d。
3 地热水开发利用现状及存在问题
鞍山地热区距市区很近, 开发历史悠久, 随着国民经济的发展和改革开放的深入, 开发利用地热水的投资渠道增多、规模更大, 现在已建成了以疗养、度假、培训、娱乐餐饮为主的综合性利用方式, 如表4。但在高度的开发利用过程中, 地热水资源遭到破坏, 对其可持续性造成了严重威胁, 存在以下问题。
(1) 通过评价计算得出, 倪家台地热田和汤岗子地热田的地热水开采量分别为2 978 m3/d和2 496.9 m3/d, 地热区的实际开采量高于评价得出的可开采量, 同时存在开采布局不合理, 开采井过于集中, 造成了当地地热水位持续下降。目前汤岗子地热区静水位每年下降近0.5 m, 倪家台热田水位急剧下降, 水量也明显减小。
(2) 技术资金投入不足, 管理手段有待完善。鞍山市地热水资源管理经费主要来源于征收的地热水资源费, 其主要用于工作人员的开支, 没有更多的资金用于管理与技术的改进, 导致在地热水的水量、水质、水位等基础数据的采集与处理还处在手工操作和人为决策的水平, 未建立起动态监测体系。
(3) 高效产业化水平不高, 热能资源利用率低。鞍山市部分地热企业生产工艺流程落后, 技术力量薄弱, 经营粗放单一, 竞争无序, 盲目追求高额利润。虽然加大了惩治力度, 但仍有企业不按规定开采, 不采取综合利用措施。鞍山市现有的地热水开发利用单位多局限于洗浴、养殖, 温泉及井采地热水一次利用后直接排放, 热能资源未得到充分利用。
(4) 地热尾水未处理, 造成环境污染。从鞍山市地热利用现状来看, 大多数的地热水用于洗浴, 热水用完后一般直接将其排入下水管道进入城郊排水系统或地表水体, 排放温度普遍大于35 ℃。
(5) 地热水回灌率低。由于鞍山市没有回灌系统, 采灌严重失衡, 引起热储层水位大幅度下降, 形成了水位下降漏斗区。
4 解决对策探讨
(1) 严格控制地热水的开采量, 执行倪家台地热田日取水量1 899 m3的批准水量, 汤岗子地热田由于考虑保护热矿泥资源, 应该控制在800 m3以下。倪家台热田开采井较为集中, 应采取间歇性开采, 避免同一时段集中开采。
(2) 争取各级政府部门对鞍山市地热水技术资金的支持, 完善和加强对不同层位地热水资源的水位、水量、水质、水温的长期监测工作, 从而及时掌握其在开采过程中的变化过程, 形成动态的监测体系。
(3) 应以可持续发展、开发与保护并重和统一管理为原则, 根据鞍山市地热水的用途不同, 以特色为依托, 建立多种管理模式, 见图1。以整合地热水资源, 高水平、高起点制定并严格执行地热水资源开发规划, 建立权威、高效、协调的地热水资源管理体制, 引导鞍山地热水资源开发向科学化和有序化发展。
(4) 鞍山市地热水在用水过程中, 应根据地热资源特点和周边地形环境条件, 确定地热水资源的开发利用形式, 适当增加对地热农业温室种植, 地热鱼塘养殖, 地热水供暖, 热泵技术利用等多样化、技术化产业的直接投入。对于单纯性的洗浴产业, 应提高经营门槛, 加大审批标准和监管力度, 对浪费严重和尾水污染巨大的经营单位, 予以关停和整顿。最终地热资源开发利用模式应以梯级开发、综合利用为主, 建成良性循环的地热开发体系, 见图2。
(5) 回灌工作应该作为鞍山地热区开发的重点。回灌可以减缓热储压力的下降, 可以利用热储岩石骨架的热量, 所以应尽早开展回灌实验, 从而达到生产性回灌阶段。
摘要：对鞍山地热区的3处地热田进行评价, 采用稳定流平均布井法、下降漏斗法、比拟法分别对各热田地热水开采量进行计算, 同时分析各保护区开发利用过程中存在的问题以及其他影响地热资源可持续开发利用的相关因素, 探讨性提出对策建议。
关键词：鞍山地热区,地热水评价,问题及对策
参考文献
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[2]刘时彬, 李宝山, 郑克棪.全国地热产业可持续发展学术研讨会论文集[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[3]李莲花, 张建斌.地热水资源开发引起的环境问题分析[J].地下水, 2004, (3) :194-195.
[4]柳志国, 徐魏, 郑克棪.北京市小汤山地热田地热资源评价报告[R].北京:北京市地质工程勘察院地热工程研究所, 2005.
地热模型 篇7
1 地热井情况
1.1 地热井位置
P1地热井位于阳高县平山村西, 属于阳—天盆地西北部, 阳高县城北东部, 处于云门山山前洪积扇上。云门山海拔1 958 m, 云门山前大断裂为大同—阳高弧形构造带的一部分, 属压扭性断裂, 西起大同北部的雷公山前, 经寺儿梁进入内蒙古后又沿着北北东方向折回阳高境内并延伸至天镇北山前, 形成绵延90 km的弧形带, 在山西境内延伸约35 km。该断裂在大同阳和坡、上皇庄一带走向120°, 倾角60°~80°。断层在山区与盆地交界处形成明显的断层崖及三角面, 在局部地区可见山前断层孤山。破碎带宽数十米, 断裂的下盘被松散层覆盖, 据物探资料推测, 在阳高境内断距大于1 000 m, 平山村一带断距400余米, P1地热井正好处于云门山前大断裂的压扭性破损带上 (见图1) 。
1.2 地热井揭露地层
(1) 地表砂土和砂砾石层 (0 m~2 m) , 厚度2 m。
(2) 卵石和砂卵石互层 (2 m~82 m) , 厚度80 m。
(3) 粗砂层 (82 m~93 m) , 厚度11 m。
(4) 粘土层 (93 m~107 m) , 厚度14 m。
(5) 砂卵石层 (107 m~116 m) , 厚度9 m。
(6) 卵石层 (116 m~130 m) , 厚度14 m。
(7) 亚砂土层 (130 m~132 m) , 厚度2 m。
(8) 亚粘土层 (132 m~150 m) , 厚度18 m。
(9) 卵石层 (150 m~178 m) , 厚度28 m。
1.3 地热井成井工艺
地热井钻探孔径600 mm, 下入管径为400 mm水泥管, 93 m以上地层全部封闭, 热储层岩性为107 m~130 m的砂卵石层及150 m~178 m的卵石层, 总厚度51 m, 盖层为93 m以上砂卵砾石层。
2 抽水试验
为了对地热井地热资源进行综合评价, 我们于2010年8月4日~2010年8月8日对地热井进行了3个降深的抽水试验。采用QJ3吋潜水热泵。水泵下入深度130 m, 水位采用电线、微安表测量, 水量采用水表计量, 水温采用热水温度计测量。静水位76.02 m。
2.1 第一个降深抽水试验 (S1)
2010年8月4日20点开始至6日6点结束, 历时34 h, 动水位稳定时间11 h, S=47.43 m, Q=45 m3/h, q=0.26 L/ (s·m) , 水温=104℃, R=0.15 m。
2.2 第二个降深抽水试验 (S2)
2010年8月6日21点开始至7日15点结束, 历时19 h, 动水位稳定时间8 h, S=29.68 m, Q=33 m3/h, q=0.31 L/ (s·m) , 水温=104℃。
2.3 第三个降深抽水试验 (S3)
于2010年8月8日1点开始至20点结束, 历时19 h, 动水位稳定时间14 h, S=17.05 m, Q=22 m3/h, q=0.35 L/ (s·m) , 水温=104℃。
根据3次抽水试验结果, 分别采用稳定流承压完整井流公式和非稳定流泰斯标准曲线配线法计算的参数见表1。
3 地热井单井产热量
其中, QK为单井可采热量, MJ/d;q为地热井单井地热能, MW;CW为热水的比热, J/ (kg·℃) ;ρW为热水密度, kg/m3;Q为单井涌水量, m3/d;tr为热水井井口水温, 104℃;t0为地热井尾水温度 (取当地年平均气温6.75℃) 。
单井产热能计算结果见表2。
4 地热资源评价
4.1 地热资源量动态评价
平山村一带靠近边山, 地下水流向近南北向。从P1地热井的单孔抽水试验资料看, 当抽水量为1 080 m3/d时, 降深为47.43 m, 影响半径为368 m, 在P1抽水的过程中, 地热水温度在5 min内即达到104℃, 而且在抽水过程中一直保持在这个温度。说明在抽水过程中深部高温热水上涌的速度足以使断裂带附近浅部混入的冷水温度迅速上升, 从而达到温度上的平衡。在抽水过程中距离P1孔304.12 m的P2地热井的水位始终没有变化。说明边山补给水量充分。而前人在5号 (P1南约800 m) 地热井中以2 268.72 m3/d量抽水时, 降深仅仅为3.2 m, 影响半径300 m, 说明这一带是地下水富集区。平山村一带渗透系数为0.662 m/d, 在P1孔附近水力坡度约为0.075;500 m以内变质岩热储层厚度120 m, 裂隙率6%, 松散岩类热储层厚度50 m, 孔隙率0.10, 则每天北部边界侧向补给地热田的水量为:
其中, B为北部边界进水面积。
可见边山对地热田的地下水补给量很大。在浅部地热井抽水的情况下, 由于浅部水压的减少, 补给深层变质岩热储层的地下水可通过边山断裂带向上越流运行补给松散层热储层, 这些都是这一带地热资源开发利用的物质基础。
4.2 地热水质量评价
地热流体质量主要指地热流体的物理性质、化学成分、微生物指标及能量品位。
本次地热流体质量评价结合开发意向, 根据有关的国家标准或行业标准进行综合评价。
4.2.1 地热水物理及水化学分类特征
P1地热井出口水温104℃, 属于中温地热资源。P1井地热水中Cl-含量为289.5 mg/L, SO42-含量为221.14 mg/L, Na+含量为356.51 mg/L, 为Cl.SO4-Na型热水。热水中Cl-含量、SO42-含量、Na+含量分别是平山二泉水的49.9倍, 7.7倍和15倍, 热水中氟含量2.4 mg/L, 矿化度达1 117 mg/L, 是基岩裂隙水矿化度 (二泉) 的3倍和4.5倍, 是浅层孔隙水矿化度 (22号) 的34.2倍和3.5倍, 说明随着地热水温度的增高, 热储岩石中元素的溶解度逐渐增加, 矿化度就越高;而越是远离断裂带, 冷水混入的越多, 水的温度就越低, 矿化度也越低 (见表3) 。
4.2.2 矿泉水评价
1) 饮用天然矿泉水评价。
分析资料显示P1地热水色度小于5, 浑浊度小于1, 无嗅无味, 锂含量 (2.21 mg/L) 、锶含量 (0.36 mg/L) 、偏硅酸 (191.13 mg/L) 、溶解性总固体 (1 183.7 mg/L) 4项超过GB 8537-2008饮用天然矿泉水标准, 尤其是锂元素含量较高, 各种限量指标及微生物指标均在天然饮用矿泉水的允许范围内, 所以P1地热水可以作为天然饮用矿泉水开发。矿泉水类型为含锂、锶、偏硅酸矿泉水。
2) 理疗天然矿泉水评价。
P1地热井的热水中Li, F, 偏硅酸和矿化度及温度达到理疗天然矿泉水水质标准, 为含Li, F, 偏硅酸温矿水。其他离子成分未达到医疗价值浓度 (见表4) 。
4.2.3 地热水结垢评价
本次参照工业上用锅垢总量来衡量地热流体的结垢性。锅垢总量的计算:
其中, S为水中的悬浮物含量, mg/L;C为胶体含量, C=Si O2+Fe2O3+Al2O2, mg/L;r为离子含量的每升毫克当量数。
锅垢总量Ho<125, 称为锅垢很少的水;锅垢总量Ho=125~250, 称为锅垢少的水;锅垢总量Ho=250~500, 称为锅垢多的水;锅垢总量Ho≥500, 称为锅垢很多的水。P1地热井热水中均未见悬浮物, 水质分析结果热水中Fe2+, Al2O2, Fe2O3等含量微乎其微。根据以上公式计算得Ho值均在125~250之间, 故评价区地热水均为锅垢少的水 (见表5) 。
5 结语
1) 阳高县P1热水井井深178 m, 出口温度104℃, 降深47.43 m时出水量Q=45 m3/h, 影响半径为368 m, 显示阳高县平山村一带具有浅埋藏型丰富的地热资源。且出口温度创山西省最高, 具有地热发电、地热供暖、地热疗养、地热养殖等多方面开发利用的巨大潜力。2) 阳高县P1热水井热水符合GB 8537-2008饮用天然矿泉水标准, 矿泉水类型为含锂、锶、偏硅酸矿泉水。所以P1地热水可以作为天然饮用矿泉水开发。3) 阳高县P1地热井热水中Li, F, 偏硅酸和矿化度及温度达到理疗天然矿泉水水质标准。为含Li, F, 偏硅酸温矿水, 作为洗浴用水具有一定的医疗价值。
参考文献
[1]GB/T 11615-2010, 地热资源地质勘查规范[S].
[2]GB/T 13727-200X, 天然矿泉水资源地质勘查评价规范[S].
建筑节能之地热应用 篇8
关键词：地热,地源热泵技术,建筑设计,建筑节能,绿色建筑
能源短缺已不容忽视, 节约能源已受到世界性的普遍关注。目前, 全世界有近30%的能源消耗在建筑物上, 长此以往, 将严重影响世界经济的可持续发展。而我国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4, 居耗能首位。因此, 建筑节能必然成为人类, 特别是我国节约能源的一个重要环节。
1节约现有能源与开发新能源
节能应该包含两层含义:节约使用现有常用的能源和开发并利用新的能源。建筑节能同样要从这两个方面着手。
建筑上节约使用现有常用能源的最关键因素是从建筑物的造型及围护结构形式着手。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。
建筑上开发并利用新的能源, 这些能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等多种形式。同现有常用的能源相比, 这些能源还有另外一个特点就是可再生, 称为可再生能源。地热能就是可再生能源, 应提倡在建筑中广泛应用。而且与太阳能、风能不同, 地热能源的来源相对要稳定得多。
2各国地热开发与研究
地热能源的利用, 在世界上已经开发了很多年, 并且有的国家在这一领域取得巨大的经济回报。冰岛人口不到30万, 面积为10.3万km2, 是世界上地壳运动最活跃的地区之一。全岛有火山200多处, 其中活火山30余座, 平均每5年就有一次火山喷发。水温高于200 ℃的高温地热区26个, 天然温泉800余处。冰岛因此成为世界上地热资源最丰富的国家之一。热能储量巨大, 如全部加以利用, 每年可发电800多亿度。由于地热资源的廉价、清洁, 自1975年冰岛大规模使用地热资源后, 石油等能源进口大大减少, 二氧化碳等温室气体排放量提前几十年就已达到了国际标准。
丹麦首都哥本哈根目前已经能利用地热资源为其百分之一的家庭, 5 000家住户供暖。早在2005年, 马格利特地热厂就开始运作。他们把地下2 600 m深处的地热水用泵抽上来, 通过热能交换机转换成热量供给居民供暖。
在地热研究方面, 美国于1974年在芬顿山建立干热岩试验站, 钻井至2 000 m处约200 ℃的花岗岩, 然后往井中注入20 ℃的常温水, 在高压下花岗岩产生裂缝, 形成千热岩热储。日本新能源与工业技术发展组织于1985年在火山口处的皱折建立了干热抽试验站, 1991年, 从1 800 m的地下裂隙系统成功抽出了热能, 1992年, 又建立了2 200 m的热储层, 温度达270 ℃。德国和法国于1986年联合在苏尔士开展岩体热能利用项目。
3我国地热资源
中国地热开发利用, 随着社会经济和生态环境建设的需求, 十年来, 每年以12%的速度增长, 到1998年年底, 地热采暖面积已近800万m2;地热温室面积70万m2;地热养殖面积300万m2;洗浴和温泉疗养1 600多处, 地热直接利用规模已逾500万t/年标准煤当量。最近两年, 在中国的东北高纬度寒冷的大庆地区和西北干旱的宁夏银川地区开展了地热勘探和开发利用工作, 巨大的盆地型地热资源已被证实。通过地质调查, 全国已发现地热异常3 200多处, 其中进行地热勘查的并已对地热资源进行评价的地热田有50多处, 全国已打成地热井2 000多眼。发现高温地热系统255处, 主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。发现中低温地热系统2 900多处, 总计天然放热量约相当于每年360万t标准煤当量。
4地源热泵的设计
地源热泵系统包括3种不同的系统:1) 土壤源热泵;2) 地下水热泵系统;3) 地表水热泵系统。
以上3种系统, 实际上是指通过将传统的空调器的冷凝器或蒸发器延伸至地下, 使其与浅层岩土或地下水进行热交换, 或是通过中间介质作为热载体, 并使中间介质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流动, 从而实现对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源利用技术。
虽然在这3种系统中, 采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好, 能耗低, 性能系数高于土壤源热泵。然而, 由于前两种系统受到地下水或地表水资源的环境限制, 并非处处存在, 因此土壤源热泵系统应用更加广泛。该系统的设计主要包括以下三方面内容:
1) 地下热交换器设计。首先, 要根据现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用, 确定热交换器是采用垂直竖井布置, 还是水平布置方式。
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种。串联系统管径较大, 管道费用较高, 并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小, 管道费用较低, 且常常布置成同程式, 当每个并联环路之间流量平衡时, 其换热量相同, 压降特性有利于提高系统能力。
管径必须满足两个要求:管道要大到足够保持最小输送功率;管道要小到足以保证流体与管道内壁之间的传热。
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外, 还需要有当地的土壤技术资料, 如地下温度、传热系数等。在实际工程中, 可以利用管材“换热能力”来计算管长, 换热能力即单位管长的换热量。
确定管道间距和长度, 对于垂直竖井就是要选择竖井深度和竖井间距, 而水平布置就是水平管道长度和垂直方向管道层之间的间距。
在同程系统中, 选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。计算最不利环路所得的管道压力损失, 再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失, 确定水泵的扬程。根据系统总流量和水泵扬程, 选择满足要求的水泵型号及台数。管路最大压力应小于管材的承压能力, 管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和。
2) 建筑物冷热负荷计算。建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同, 可参考有关空调系统设计手册。
3) 冬夏季地下换热量计算。冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数, 计算时应从样本中选用符合设计工况下的地源热泵机组。地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景, 但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素的研究还很有限, 设计时大致可以遵循以下原则:a.若建筑物周围可利用地表面积充足, 应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式;相反, 若建筑物周围可利用地表面积有限, 应采用竖直埋管方式。b.尽管可以采用串联、并联方式连接埋管, 但并联方式采用小管径, 初投资及运行费用均较低, 在实际工程中常用, 且为了保持各并联环路之间阻力平衡, 最好设计成同程式。c.选择管径时, 除考虑安装成本外, 一般把各管段压力损失控制在当量长度为4以下, 同时应使管内流动处于紊流过渡区。
5结语
地热资源是可以再生的绿色能源, 而地源热泵技术对地热资源的要求不高, 可以在各个区域广泛应用, 是建筑设计中使建筑物达到“节能、环保”的有效手段之一, 广大建筑设计师应积极掌握并将其应用到设计中。
参考文献
[1]GB 50366-2005, 地源热泵系统工程技术规范[S].
[2]韩慧民.土壤源热泵在中央空调系统中的应用[J].制冷空调与电力机械, 2005, 29 (2) :171-173.
[3]马最良, 吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.
探讨地热采暖技术 篇9
一、地热采暖的概念
地热采暖全称为低温地板辐射采暖, 又叫地暖。低温热水地板采暖是以整个地面作为散热器, 以不高于60℃的低温热水为热媒, 通过在地板结构层内铺设管道, 并给管道内注入40~60℃的低温热水在管内循环流动, 加热地板, 通过地面以辐射和对流的热传导方式向室内供热, 使表面温度上升20~29℃左右。这种地热供暖无需在室内布置散热器, 空气温度由下而上散发, 符合人体采暖的生理习惯, 十分舒适, 且具有室内温度分布均匀、舒适性好、节约能源、少占室内的有效空间, 便于布置家俱等优点。早在上世纪七十年代, 低温地板辐射采暖技术就已在欧美日韩等地迅速发展, 经时间和使用验证, 低温地板辐射采暖技术成熟, 热效率高, 节省能源, 是一种科学、节能、保健的采暖方式。
二、地热采暖的发展起源
低温地板辐射采暖并不神秘。早在公元前1300年, 土耳其王族的宫殿中就有了地板辐射采暖的雏形;公元前80年著名的古罗马浴室中出现以“火地”形式的地板辐射采暖;而真正的地热采暖技术始于20世纪20年代兴于西方发达国家, 受当时工业材料和技术条件的限制, 地板辐射供暖的加热管只能用钢管、陶瓷管、铜管, 这些材料成本高、接口多、易渗漏, 无法避免电化学腐蚀、氧腐蚀、结垢等等, 极大限制了低温地板辐射采暖技术的发展。
20世纪70年代, 低温地板辐射采暖工艺从原始的烟道散热火炕式采暖发展成为以现代材料为热媒的地面辐射供暖。而随着高分子塑料管材技术和保温材料技术的成熟, 一种坚韧性好、抗腐蚀性强的塑料管——PB管的问世, 到了20世纪80年代中期, 地暖技术的安全性和可靠性大大提高, 低温热水地面辐射供暖技术在欧美日韩等地的应用迅速发展。目前欧美国家仍有一半以上的居住建筑采用该技术。
低温热水地面辐射供暖技术在我国尚属新型技术, 在我国应用的时长只有短短20余年。自上世纪50年代, 我国科技工作者就开始研究地暖技术, 直到80年代末90年代初, 从德国和韩国引进聚丁稀低温热水采暖技术并将其投入一些住宅工程中实际使用后, 经国家有关部门鉴定被列为技术成果推广项目。低温地板辐射采暖技术是近20年来发展最快的一种供暖形式, 因其经济、节能、舒适等一系列优越性得到大面积推广, 仅东北、华北地区地暖应用工程每年就以平均1500万平方米的速度递增。在我国西北地区就约有十分之九以上的新建住宅在采用该项技术。
三、地热采暖的工作原理
地板辐射供暖是一种先进的供暖方式, 其工作原理是往铺设的地板或地砖下的采暖管环路通入循环热水或直接铺设发热电缆, 从而加热整个地板, 热量主要通过大面积的地面以辐射的方式向地板以上的空间温和而均匀散发, 使人体感受到热照和空气温度的双重热作用。
低温地板辐射采暖是在室内的地面下铺设管道, 通过管道内热水循环将地面加热到一定温度, 再由地面均匀地向室内辐射热量, 同时在冷热空气的比重差作用下, 产生了空气的自然对流现象, 从而创造出具有理想温度分布的室内热微气候, 使室内环境达到人体感官最舒适的状态。
地热采暖原理较为简单, 安装技术要求门槛不高, 但毕竟地暖是门系统工程, 除了设备本身外, 还要考虑家居设计、使用效果和后期维护等各种需求。地热采暖分水地暖和电地暖, 两种工作原理基本类似, 但使用材料和使用效果不同。水地暖是种低温辐射采暖, 温度较为均匀, 较电地暖更为舒适;电地暖安全事故较高, 后期维护比较麻烦。因此, 在地暖安装过程中要倡导规范施工, 做到尽善尽美, 免去后顾之忧。
四、地热采暖的特点优势
提高居民舒适度。传统采暖方式有暖气片对流和集中空调热风采暖, 这两种方式热空气集中在房间中上部和上部, 室内温度分布不均, 上热下凉, 使人们有口干舌燥之感。地热采暖是最舒适的供暖方式, 室内地表温度均匀, 室温由下而上随高度增加温度逐降, 室内地表温度均匀温度曲线符合人的生理需求, 给人以脚暖头凉的舒适之感;不易造成污浊空气对流, 室内空气洁净;促进居住者新陈代谢, 改善全身血液循环, 提高免疫力。
节约美化室内空间。低温地板辐射采暖的加热管深埋于地下, 安装较隐蔽, 不占用房间和地面有效面积, 可省去安装暖气片及其支管所占的空间, 室内美观宽敞, 便于自如装修和家俱布置。地暖不仅增加了建筑的使用面积, 减少室内环境的破坏, 还有效避免了包装暖气设备带来的装修浪费。
降低室内设计温度。利用低温热水地面辐射供暖向室内供暖时, 热量无需通过任何介质主要以辐射方式可传给供对象, 传送方式直接迅速, 提高了热效率。地面供暖地面层及混凝土层蓄热量大, 热稳定性好, 在间歇供暖的条件下, 室内温度变化缓慢。室内设计温度的降低意味着室内供暖热负荷的降低, 因此, 地板供暖可用较低的室内设计温度得到散热器较高的室内供暖效果, 既节省了供暖能耗又节约了能源损耗。
实现采暖的个性化。低温地板辐射采暖较对流采暖热效率高, 热量集中在人体受益的高度内, 在传送的过程中热量损失较小, 节能幅度大约在20%左右。目前, 我国采暖收费基本按采暖面积计费, 这种计费法会导致能源的极大浪费。低温地面辐射供暖只需按房间划分供暖环路, 并配置室温自动控制装置, 即可实现分户分室控制, 用户可根据实际情况进行调控, 这种按用户实际所用热量的计费方式能够有效节约能源, 节能幅度可高达40%。
作为一种建筑节能技术, 低温地板辐射采暖技术以其舒适卫生、节能保健、热稳定性好、维护使用方便、节约室内面积等优点深得人们的喜爱, 且在工程界得到广泛应用。
摘要：笔者结合自己多年工作实践经验, 简要介绍地热采暖技术的概念、发展起源、工作原理及特点优势等等。
关键词：建筑节能,地热采暖,发展起源,工作原理
参考文献
[1]中国建筑科学研究院:《JGJ142-2004地面辐射供暖技术规程》, 中国建筑工业出版社, 2004年。
[2]蔡敏:《浅析地板辐射采暖系统的优缺点》, 《中小企业管理与科技》, 2008 (01) 。
[3]张龙瑞:《地板采暖的优点及设计施工要点》, 《物流工程与管理》, 2011 (04) 。