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地熱資源梯級利用工藝

更新時間：2020-09-25　點擊量：1917

　【一】研究意義

　　我國廣泛分布著中低溫地熱資源，非常有利于供熱、養殖、種植等直接利用。據地熱協會(IGA) 2000年統計，我國地熱直接利用量已37908TJ/a，居世界*。我國的地熱直接利用中有很大一部分是用來供熱的，地熱供熱已在天津、北京、西安和黑龍江、河北等省市得到廣泛推廣，供熱面積已達1180萬平方米（2001年統計數據）。特別是天津市，地熱供熱面積已達860萬平方米，占全國的74%。

　　然而由于目前在一定程度上存在著粗放型開發現象，我國的地熱利用還存在如下問題：

　　1.利用結構單一

　　以地熱采暖為主要目的的地熱利用系統，不僅開發消耗的資源量很大，而且簡單的用熱之后，沒有進行很好的深度開發，就將大量的地熱水排放掉。使地熱資源的復合特征沒有充分的發揮，造成資源的較大浪費。

　　2.利用技術、工藝及設備配套尚需進一步優化

　　目前在利用設備配套水平上，不能把地熱資源的能量充分利用和提取出來，從而使資源的利用率較低。歷*遺留下來的老的地熱井系統中存在不經濟、不合理、浪費大等問題。

　　3.排放溫度高，造成資源浪費與新的環境問題

　　在地熱采暖系統中，受常規的管網式供熱工藝和技術水平的限制，地熱水經一級換熱后的溫度仍然很高，一般不低于40℃，不僅造成資源的嚴重浪費，又給環境帶來了熱污染。地熱作為一種清潔的新能源，市場的需求會愈來愈大。但不能只依靠增加地熱資源的開采總量來擴大利用規模和滿足市場需求，而是要依靠科技進步，提高利用水平。就目前利用的水平來說，還有很大的潛力可挖。從現狀看，排放溫度普遍在45-50℃,地熱水開采出來的溫度平均在85℃，平均利用溫差為40℃，如果采用新技術把溫度降到20℃左右，可提取更多的熱量以利用。

　　利用技術的創新與發展，是解決粗放式開發的關鍵問題。地熱開發利用中存在的不科學、不合理、不經濟，浪費大、污染重的諸多問題，只有依靠科技才能解決。要借助于市場的推動和協調，資源意識的增強，公眾的參與，大力推進地熱利用中新技術、新工藝、新方法的應用，解決長期以來一直不好解決的諸如腐蝕問題、地熱棄水溫度高的問題、地熱資源的多種功能不能全部發揮的問題等。通過科技創新，把跨學科，跨領域的技術相互結合，取長補短，實現突破。

　　【二】基本概念

　　為了解決地熱尾水排放溫度高、資源利用率低與環境熱污染問題，開發了地熱資源梯級利用技術。地熱梯級利用就是多級次地從地熱水中提取熱能，多層次地利用地熱能。通常情況下，可以將地熱能要供暖的總負荷分成高溫供暖部分與低溫供暖部分，先按照高溫供暖設計方法提供一部分供暖負荷，然后按照低溫供暖設計方法提供其余的供暖負荷。高溫供暖部分一般可以采用管網方式，低溫供暖部分可以采用地板輻射采暖和風機盤管。

　　地熱梯級利用工藝充分發揮了地板輻射采暖、地熱熱泵的優勢。地板輻射式采暖與熱泵技術，可以大大降低地熱水的排放溫度，從而提高熱利用率，即地熱水首先通過板式換熱器換熱，供管網系統采暖，再二次換熱供地板輻射采暖系統（*非金屬系統也可直供），地輻射采暖系統下來的地熱水再利用熱泵技術提熱或直接供熱，或采用調峰。在這三個溫降級次間，根據需要，拓寬生活洗浴、康樂理療、礦泉水、花卉種植等項目，以減少這些配套項目所需要的資金投入和土地、能源、淡水資源的消耗，使地熱水的多種功能得以發揮。在以供熱為主要用途的系統，必須采取回灌開發方式，使當時不能*消化的尾水重新回到熱儲層，經過地下的熱交換，可以再開發出來更多的熱能。所有這些都需要以科技為先導，創新為突破，解決系統功能實現的瓶頸問題，依靠科技進步提高地熱資源利用的集約化水平。

　　【三】技術原理

　　以往的地熱供熱設計是通過一級換熱進行的，即地熱水抽取后進入換熱器，提取熱量后排放。由于換熱器所能換取的熱量是有限的，使得這種供熱方式的熱能利用率不高，并造成嚴重的熱污染。

　　為了解決這個問題，提出熱水雙循環系統梯級利用新技術。根據建筑物的規模、負荷、末端設備進行分類，分成若干組團，根據各組團的負荷，將系統總負荷劃分成幾個部分，并且要結合各組團設計參數和負荷量來確定各部分的系統參數，同時使各部分參數與負荷之間相互藕合，優化配置，在滿足各部分負荷要求的同時，使整個系統總負荷能力得到增強。

　　具體實施方法如下：

　　(1)開采出來的地熱水，經過換熱器，提取熱能供管網系統供熱，即為第1梯次。

　　(2)第二梯次是將經過一級換熱的地熱水進行再次換熱，提取能量供地板輻射采暖系統供熱。

　　(3)由第二梯次系統排出的地熱水，進入熱泵機組進行溫度的提升后供小區新開發的采暖，或者熱泵機組將溫度提升后，將熱送回第二梯次熱網中，供熱負荷并入第二梯次熱網中，即為第三梯次。

　　(4)熱泵機組排出的地熱水由另一眼地熱井回灌到地下。至此完成了一個循環過程。由此解決地熱資源利用中存在的諸多問題。

　　該技術的目的是使地熱供暖從一級利用擴展到多級利用，從而充分發掘地熱資源的潛力，減少環境熱污染，提高能源利用率。

　　【四】技術關鍵

　　1.藕合自控雙循環調溫技術

　　地熱供暖、供水系統的控制核心是要做到節水、節電，并保證供暖和供水的良好效果。因此，地熱梯級利用系統中的一個核心問題是要將利用系統與地熱開采系統有機地起來，做到利用多少開采多少。實現這一要求的關鍵是解決好系統的控制技術問題。

　　地熱供熱中存在兩個循環系統。一個是用戶熱力子系統，負責室內供熱，該系統的特點是水溫可調而流量不可調，即調質不調量。另一個是地熱水子系統，負責熱水開采并向用戶熱力子系統提供熱能。由于地熱水溫度是相對恒溫的，總熱量的變化只能通過流量來控制，因此，該系統的特點是調量不調質。兩個系統之間通過換熱設備連接并進行熱交換。地熱水開采量的變化決定了供熱總能量的變化，從而決定了用戶熱力子系統的變化，決定了室內溫度的變化。利用這一特點，建立自動控制系統，將室內溫度需求反饋到地熱水子系統中，對開采量進行調節，實現室內溫度的調節。這個調節過程是由藕合自控雙循環調溫系統來控制的。藕合自控雙循環調溫技術的基本原理是：根據室外溫度的變化，調節室內供熱負荷，再將室內供熱負荷信號傳送到地熱水子系統中，調節地熱水流量，實現對地熱水總熱量的調節，進而調節用戶熱力子系統的循環水溫度，實現對室內供熱負荷的調節，保證室內恒溫。圖1為藕合自控雙循環調溫技術原理圖。

　　2.各級參數的藕合匹配

　　地熱梯級利用工藝的另一個關鍵是各級參數的藕合匹配。首先是用戶熱力子系統各級參數的匹配，用戶熱力系統一般分三級進行，各級的供熱溫度要根據供熱面積與負荷要求確定。確定各級供熱溫度后，就可以相應地確定地熱水系統的換熱溫度。地熱水系統一般采用兩級換熱一級提溫的方式，各級換熱溫度與提溫量由自控系統根據供熱參數確定。

　　3.直供與間供方式的選擇

　　在地熱用于供暖的開發利用過程中，由于各地水質、溫度和采暖設施的不同，利用的形式也就各有不同。但總結起來其基本形式有兩種，一種是地熱水直接進入末端設備的供暖方式，叫直接供暖方式;另一種是通過換熱器將地熱水的熱量交換到另一種介質中，通過此種介質的循環，把熱量傳遞到各采暖用戶，叫間接供暖方式。

　　對于地熱供暖系統采取直接供暖方式好還是間接供暖方式好，需要綜合考慮地熱水的水質、水溫、末端設備選型、是否回灌以及資金狀況等許多因素。但影響選擇直接供暖和間接供暖的主要的因素是地熱水的水質和溫度。

　　①地熱水溫度因素

　　間接供暖需要使用換熱器，使用換熱器必然有熱量的損失。對高溫資源來說，熱量損失相對于資源品位而言較小；而對低溫資源來說，由于本身溫度不高，熱量損失相對資源品位就比較大。并且，由于低溫地熱井的水溫較低，為盡量減少換熱溫差熱交換時需要的傳熱面積就比較大，換熱器的成本相應也要增加。盡管如此，具體應采用何種方式仍要以水質的腐蝕特性而定。

　　②地熱水水質因素

　　利用地熱進行直接供暖存在腐蝕結垢問題。地熱水的水質將會直接影響到整個供熱系統設備的腐蝕程度。采用間接供熱時，可以選用耐腐蝕性很強的欽板換熱器，避免地熱水和采暖系統管道的直接接觸，也就避免了系統的腐蝕結垢問題。因此，對于水質差的地熱水應優先選用間接供暖方式。

　　【五】設備組成及其功能

　　該工藝主要包括井口裝置、換熱器、熱泵、分水器、集水器、除污器、循環泵、補水泵、補水箱等。

　　其功能如下：

　　1.井口裝：將地熱井進行封閉，緩沖熱脹伸縮，安裝潛水電泵；

　　2.除砂器：凈化與過濾地熱水中的砂粒與雜質，避免堵塞及破壞系統設備；

　　3.換熱器：進行熱交換；

　　4.熱泵：提升及交換熱能；

　　5.分水器：進行供水分流；

　　6.集水器：進行回水匯集；

　　7.除污器：清除水中的雜物；

　　8.循環泵：提供動力，推動水循環；

　　9.補水泵：補充二次網的水量消耗；

　　10.補水箱：貯存水以供補水泵使用。

全自動野外地溫監測系統/凍土地溫自動監測系統

地源熱泵分布式溫度集中測控系統

礦井總線分散式溫度測量系統方案

礦井分散式垂直測溫系統/地熱普查/地溫監測哪家好選鴻鷗

礦井測溫系統/礦建凍結法施工溫度監測系統/深井溫度場地溫監測系統

TD-016C型地源熱泵能耗監控測溫系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫，淺層地溫在線監測系統，分布式地溫監測系統

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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地熱資源梯級利用工藝

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