在贵州山区推广浅层地热能开发利用的若干建议智库

发布时间:2018-06-20 09:18:52  作者:何文君 毛佐林  来源:本站原创  浏览次数:

[摘要]贵州山区浅层地热能资源较丰富,推行岩土源、水源式浅层地热能开发利用是可行的。那么,如何在贵州绿色山区做到优先、积极、适度、重点、鼓励推广浅层地热能开发利用,并有效杜绝失效工程发生是浅层地热能是否能在贵州绿色山区得到科学合理有序、因地制宜开发利用的关键。通过目前浅层地热能开发利用过程中所存在的问题和不足,提出个人的看法和若干建议,为浅层地热能在贵州科学、合理、可持续性开发利用提供参考。

[关键词] 贵州山区;浅层地热能;开发利用; 

贵州地处我国西南腹地,碳酸盐岩分布广泛和岩溶景观奇特,与此相关,水文地质条件复杂,但岩溶水资源异常丰富,成为贵州省主要的地下水类型[1]

在贵州推广浅层地热能具有广阔前景,首先贵州浅层地热能资源丰富提供保障;其次,生态建设和环境保护引领发展绿色贵州,必然推动清洁无污染的浅层地热能利用新发展;再者,贵州虽有冬暖夏凉的气候特点,但贵州人注重舒适环境温度的同时,更追求高质量的室温享受。通过贵州空调销售市场调查,空调使用率以每年10%的速度增长,且主要以宾馆酒店、大型商场、商务楼、学校、医院等增长速率最为突出,且有逐年递增趋势。由此,在贵州推广浅层地热能开发利用是与时俱进的发展需要。

浅层地热能是通过热泵技术采集开发利用于供暖、制冷、供热水。而热泵技术在国际、国内已研究成熟,浅层地热能开发利用成败的关键在于科学合理采集浅层地热能资源量及换热系统设计、施工。因此,在浅层地热能开发利用中,不乏有失效工程的发生,据不完全统计,全国已建项目中失效或节能不理想的项目占20-30%,通过剖析,其主要原因不是热泵技术不成熟而是换热系统设计和可再生能源利用不合理导致。

 

一、开发利用现状

地下水源式浅层地热能利用早在2002年就进入贵州,据不完全统计,已完成项目有20余项,但因岩溶地下水分布不均匀而至回灌难、超强抽采而至水位下降以及过度超量抽采而至地下水资源浪费过大等问题,大部分工程停止运行或运行效果不甚理想。

地表水换热系统虽然在贵州近3年得到一定的发展,但其发展也受到地形地貌及河流发育区位等制约,目前主要开发利用的是以锦江、南明河为地表水热源,应用地区主要有贵阳和铜仁地区。初步统计,已投入运行项目约6项,其中1项后期运行达不到节能目标。

岩土源浅层地热能开发利用自2010年至今,该类型利用得到一定的发展,据不完全统计,已投入运行有10余项,其中1项节能效果不佳,另1项运行失效。

污水源浅层地热能是当前各类型利用中发展和应用前景最被看好的一种,而在贵州至今没有得到充分较好的应用。

联合能源式浅层地热能利用近3年在贵州兴起,利用区域主要在铜仁地区,已完成并投入运行项目有5项,采用地表水、地埋管、地下水、空气源等其中两种以上能源联合式开发利用模式,运行效果较好。

 

二、开发利用存在问题和不足

虽然浅层地热能在我国京津冀等北方地区,乃至四川、重庆等西南地区得到了一定的开发利用,但其开发利用过程中还存在一些问题和不足,为确保浅层地热能开发利用在贵州能够得到健康、有序、可持续性地发展,通过对部分地区及我省在建、已建在运行及部分运行失效工程进行调查分析,提出以下问题和不足:

2.1浅层地热地质基础勘查工作滞后,导致无序开发

浅层地热能在国外发展依靠的是地热地质先行,其发展的成败,取决于对地热地质、水文地质条件的勘查研究程度,而在我国,则是一些地热地质以外的行业(主要是热泵机组厂商)作为推动力量,致使浅层地热能开发存在无序和一定的盲目性。当前,浅层地热能资源开发利用的潜力勘查评价工作在贵州省开展亦少,仅于2011年中国地质调查局组织实施的全国地热资源调查评价项目中,开展了“贵阳市浅层地热能潜力调查评价”,至今为止,贵州省其他城市及地区均未有开展此项工作。

2.2单一专业承揽工程,致使设计不合理

由于前期勘查、设计、施工至验收等开发利用全过程中缺乏多专业的结合性,导致某单一专业承揽工程出现因设计不合理而达不到预期的节能目标或系统运行失效的案例。设计不合理主要体现在以下几个方面:

①系统设计缺少提供生活用水供给,未能达到多余排热能源回收二次利用,也不符合规范GB50366-2005中7.1.7条要求,主要原因是部分设计师们担心会增加热泵系统负荷设计,从而增加初始投资,其实这是一种误解。

空调系统负荷通常采用最不利的负荷状态下的过大负荷或满负荷设计,致使出现“大马拉小车”,造成系统效率降低、能耗增加或者出现严重的能源浪费现象,同时也增大了换热系统换热量的设计,增加了初始投资。其实,通常在实际使用过程中,运行工况不断变化,满足额定工况的时间很少,大约只占总工作时间的5%左右绝大多数时间的工作负荷只是满负荷的50-70%[2]

③在岩土源地埋管式浅层地热能利用中,其地下换热系统设计参数取值不合理,出现地下岩层中冷热失衡,导致系统后期运行节能达不到设计要求。冷热平衡问题对地下换热系统长期运行特性有着明显的影响,影响地热均衡的关键因素主要为地下换热系统的设计中参数取值。例如大多数设计人员直接采用试验提供的单位延米换热量指标直接设计而不再根据设计工况重新复核计算,试验测得热物性指标成了摆设,并且测试中得到的是换热器综合传热系数,却作为岩土综合导热系数进行采用,出现测试中的岩土层综合导热系数高出区域地质岩土体的导热系数1-2倍,从而岩土热物性参数在被放大取值,导致换热系统换热量设计值远大于实际运行值,系统运行能力下降。

2.3局限于单一能源的开发利用,增大了系统后期运行能效风险

仅致力于单一能源的开发利用,而忽略了其它能源联合开发利用,致使初始投资过高或出现因能源过度集中采集而影响生态环境。例如在远离水源热源的区域里仅局限开发利用岩石土壤热源(地埋管式换热采集热源型),在能源利用不足的情况下,通过增加换热孔深或加密换热孔数提升能源采集量,如此,不仅无形增大初始投资,而且导致地下岩土能源过度采集导致冷热堆积、地热不均衡从而降低地下换热系统能力或使整体系统后期运行失效。

2.4缺乏污水循环利用有关政策支撑,制约污水源式浅层地热能利用

污水源式浅层地热能利用是当今最被看好的一种利用类型,能有效地与其他可再生能源一并联合利用。污水源浅层地热能利用是以污水作为热源,利用污水处理厂出水量大、水质、水温稳定的特点进行制冷、制热、供热水循环。该类型利用在贵州乃至其它省应用受到制约,主要原因是污水处理厂建造区位条件偏僻、建造数量甚少以及缺少污水循环利用的相关支撑政策等限制其开发利用。

2.5忽视对生态环境影响监测,影响可持续发展

在项目实施过程中,应对项目运行过程中可能影响到的环境因子进行监测,但在大多数开发利用项目中,缺少热泵系统后期运行中对区域生态环境影响的监测,或者虽然建造了监测系统,但因某种原因而至后期运行中监测系统失效,致使形同虚设,从而无法评价浅层地热能开发利用对环境的影响程度,影响了浅层地热能开发利用的可持续发展。

2.6缺少相关部门的监督管理,影响推广应用

浅层地热能利用工程的立项审批、设计、施工和验收,以及后期的监测与管理的整套程序缺少相关部门监督管理。尤其是在系统工程后期运行失效完全停止工作时,才知道出了问题,导致人们对浅层地热能开发利用的担心和疑虑,影响了可再生能源的推广应用[3]

2.7公众认知不足,阻碍推行

社会各界包括开发商及相关部门管理者对这一技术相关知识了解不够,对技术的经济性和稳定性还不了解,认知程度还远不够。并且一些设计单位也存在认知不足,缺乏经验,还没有接受这项技术,这些都严重制约了浅层地热能开发利用的推进[4]

 

三、若干建议

3.1开展浅层地热地质、水文地质基础性勘查,科学合理开发利用

开展浅层地热能勘查评价是政府部门做好浅层地热能开发利用规划和管理的基础性工作[4]。地热地质、水文地质基础性勘查工作,就是对区域浅层地热能资源开发利用潜力进行详细勘查,查明区域浅层地热能可利用资源类型、资源量以及分布规律和赋存条件,划分开发利用适宜区和不适宜区,并预测浅层地热能开发利用可能产生的环境影响,以减少开发风险,为政府职能部门制定切合实际的、具可持续性的浅层地热能开发利用规划、严格管理提供科学依据,有计划、有步骤地推进浅层地热能科学合理开发利用。

3.2加强多专业技术联合,做到优化设计,提高系统能效

浅层地热能开发利用工程是地热地质、热泵技术、环境、自动控制和暖通空调、监测与数字模拟等多学科的有机结合,只有加强各专业人员的技术力量联合及密切配合,才能做到每一部分设计都要与整体设计相协调,只有科学合理的优化设计,才能降低初始投资,提高系统能效。因此,多专业联合设计应做好以下两点:

制冷、制热、供热水三用优化设计,提高系统能效。合理的空调系统节能优配方案不仅有效降低初始投资,而且将对系统降低能耗起到较好的工程实际作用。空调系统负荷的能效优化决定了空调系统的能耗及建设投资系统设计。例如,通过多方面的调查和研究表明,系统增加提供(或预热)生活热水设计,在制冷条件下,能达到多余排热能源回收二次利用,节能效果更为突出,而在制热条件下,不足部分则由辅助热源解决,如采用水路加热或制冷剂环路加热、太阳能等能源联合利用加热等。因此,采用空调系统能效优化设计,从多角度评价系统运行能效,确定好额定系统能效优化目标,为不同负荷时系统中的用能设备的工作模式提供优化策略。

②严格测试工作要求,正确计算测试成果。尤其在岩土源地埋管式浅层地热能利用中,地热地质专业技术人员要严格测试工作要求,正确计算测试成果,为暖通空调优化设计提供可靠、合理热物性参数,即做到测试获得的参数要复核计算。

3.3推广多种能源联合利用,降低单一能源利用风险

采用多种浅层地热能源联合利用,不仅能能弥补单一能源利用不足,还可以降低单一能源过度利用的风险。在某单一能源利用不足的条件下,例如,在岩土源地埋管式浅层地热能利用适宜区,可考虑与污水源、太阳能源、深层地热、空气源等能源的联合利用,以降低地埋管换热器过度集中在某一区域所采集能源量,有效提高地下埋管换热器能力,提高系统后期运行能效,确保系统可持续性运行;而在地表水源开发利用适宜区,可考虑联合污水源、岩土源(地埋管)、深层地热、太阳能源、空气源等多种能源,以避免大量地表水源换热器集中在一个流域,有效降低系统运行后期对地表水的水生态环境的影响等。

3.4建议出台污水循环利用相关规定,积极推动污水源浅层地热能开发利用

污水源热能开发利用显示出的优越性① 城市污水排放量巨大, 污水源式浅层地热能资源十分丰富,在大城市中应用与发展污水源热泵是改变大城市以煤、电、燃气等为主的能源消费结构现状的有效途径,为可再生能源的应用的发展拓展了新的空间;② 与其他热源开发利用类型相比,初始投资大大降低。③ 显示出较好的经济效益。将城市污水处理的水量和热量同时回收与利用是一种面向21世纪的理想的城市污水联合利用方法,是城市污水资源化的有效途径。初步估算,建筑物排放污水中所含的热能足以供应1/71/6相应建筑面积采暖、制冷、供生活热水的能耗。

建议规范建厂准则,明确出水标准、出台污水循环利用的相关规定,普及小型污水处理厂的建设。可考虑在集中排污区域内合理规划,按最低人口数量拥有一座污水处理中心,实施分布或梯级式中小型污水处理中心,其设计、建设、验收、投入使用等应与建设项目同步。

3.5规范系统后期运行监测体系,保护生态环境,确保浅层地热能可持续性开发利用

建议尽快出台浅层地热能开发利用监测技术规范,对岩土源、水源式浅层地热能利用可能影响到的各主要因子进行监测,建立长期监测系统,做到动态观测,及时掌握相关数据,保护生态环境,并为局部调整开发利用规划和方向提出指导和建议,科学合理开发利用浅层地热能,使可再生能源具有可持续性发展。

3.6纳入建筑项目管理,建立管理制度

建议浅层地热能开发利用项目与建设项目同步立项评审、同步设计审批、同步竣工验收、同步投入使用,投入使用后期运行的环境监测和评价、节能监测工作建议亦向环境部门、建设部门申报,并将长效运行节能评价纳入建筑节能管理。主要管理工作可体现在“浅层地热能的调查(勘查)、开发区划与规划及其相应资质管理”、“浅层地热能利用政策规范、工程设计、施工、运行标准的制定和执行”、“系统后期运行的节能性与经济性评价”“地下水取水和回灌许可”“开发利用对环境影响评价”等方面。

3.7政府推行示范工程,加强宣传力度

为提高全社会对浅层地热能开发利用的认知程度,加强浅层地热能开发利用的宣传工作,普及浅层地热能知识,推进各专业学科间的沟通互动,促进可再生能源的开发利用。建议政府以身作则,明确强制推行区域,建立示范工程。选择开发利用适宜区特别是要注重推广地域优势,尤其向乡村旅游综合体、生态园等地域推介浅层地热能利用,建立乡村示范工程,大力宣传其节能减排的实际效果,从大都市走向新农村,使这一绿色环保可再生能源真正深入民心。

3.8制定规划、有序推进

科学开发利用浅层地热能资源,必须重视开发利用前期的能源利用规划工作,在先行基础地质勘查工作成果基础上,规划开发条件适宜地区,制订切合实际的浅层地热能开发利用规划,严格执行规划制度,有计划、有步骤地推进浅层地热能合理开发利用。

建议规划核心不仅体现在大都市、新型智慧城,亦要体现在新农村等乡镇区域,要让浅层地热能开发利用从大都市走向乡村镇。其实,大都市的集约化建设不仅体现人口、资源、财富等的集约化,更体现出能源消耗的集约化,并超出大自然现有的承载能力,由此带来可再生能源开发利用的可采量、可利用量有限,而在新农村开发利用地热能更优越于大都市,其优越性主要体现在取热空间场所更宽扩能效更高、热平衡更能满足、便于多种能源联合利用、大大降低建造成本等。总而言之,在美丽乡村、镇等区域开发利用浅层地热能更能充分展现绿色生态大贵州。

 

四、结语

贵州山区具备应用浅层地热能的条件,地源热泵系统必将成为一种绿色环保的空调形式。作为建设“全国生态文明先行示范区”的贵州,严格环境保护制度、水资源管理制度、推行绿色生活方式、从而形成可复制和可推广的生态文明建设典型模式是发展绿色山地、建设生态文明贵州的主导理念。而浅层地热能作为一种环保、清洁、可循环利用的可再生能源,其开发和利用对促进能源结构调整、实现节能减排、建设绿色生态文明示范区具有十分重要的意义。

 

文献

【1】韩至钧 金占省 贵州省水文地质志 地震出版社1996

2】杜晓通 建筑物能效优化研究 山东大学 博士论文2012-05-28

3】牛俊强  周衍龙 李嵘 郭昆 湖北省浅层地热能开发利用现状及存在的问题 资源环境与工程 2012 10):1080-1082 

【4】卫万顺 李宁波 冉伟彦 杨俊伟 浅层地热能开发利用若干问题的思考 资源导刊20095):19-20

 

(作者单位:贵州省有色金属和核工业地质勘查局  )