文摘

现在地源热泵是一种更有效的方式开发利用浅层地热能源,因为它是清洁和环境友好的能源成本相对较低。为了优化规划布局和地理空间发展在安庆城市的东部新城,可以实现真实空间的转型升级和城市的可持续发展,探索对浅层地热能将在这一领域进行,以便找出综合热物理的浅层岩土体参数和立式换热器的传热能力,等。本文以安庆的东部新城CBD作为示例提供的基础建设地源热泵项目的可行性研究区和评估项目预期的经济和环境效益。根据5工作条件的模拟测试数据4地热勘探孔区域的研究中,我们可以清楚地知道,能源成本每平方米的地源热泵是建设十万平方米11.8元的取热能力预计将在冬天夏天9481千瓦和3070千瓦。每年排放的二氧化碳,二氧化硫,氮氧化物,悬浮尘埃,和其他空气污染物向大气中可以减少1442.5 t,固体废物灰和渣可以减少59.7 t。年度环境治疗成本将节省166000元。

1。介绍

地热是一种清洁的可再生资源,可作为一种有效的替代化石燃料(1]。在各种技术和方法,可用于获取地热能,地源热泵系统(GSHP)被认为是一种有效的和主要手段(2]。

“地源热泵”的概念最早在1912年由瑞士专家提出,并提出这项技术最初是在英国和美国。北欧国家主要集中在冬季供暖,而美国注重结合冬季和夏季加热。近年来,地源热泵技术的应用在中国取暖一直青睐,和地源热泵的应用系统在2016年已近6倍,在2007年(3,4]。地源热泵系统是一种有效的地热能源收购技术由于其效率高、运营成本低,但其高初始成本限制了这一技术的发展。许多学者做了大量研究工作考虑的地源热泵系统的性能5,6)、经济(7]。在地源热泵的性能,努里·et al。8]表明,真空管集热器和VGHP应该满足加热,制冷和热水需求的居住建筑在大不里士。Balbay和女猎手9,10)进行了初步可行性研究的应用VGHP雪融化的路面和桥面的第一次。结果表明,路面上的雪和桥面有效地融化了。地源热泵的经济,女猎手et al。5]报道比较地源热泵系统和ACHP系统从技术和经济的角度。陆et al。11)使用了一些经济指标比较金融GSHP的吸引力和ASHP住宅供暖和冷却在墨尔本,和结果表明,地源热泵系统提供更多的好处比ASHP系统系统拥有超过40年的操作。地源热泵系统可以提取地热能建筑采暖和制冷。相比与传统的空气热泵(AWHP)和国航热泵(AAHP)系统,地源热泵系统的热力性能通常更高,因为地面温度高于周围空气温度在供暖季节和温度低于环境空气在冷却的季节(12]。地源热泵(GSHP)是一个中央供暖和空调系统,这是水组成的地源热泵机组、地热能交换系统,并构建系统,与岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源。因此,它是非常重要的准确把握热源的热导率和其他参数的原位评价和建设一个长期有效的运行地热热泵系统。

浅层地热能调查和地源热泵适宜性进行了分区研究在许多城市在中国13,14]。然而,由于不同的岩土条件、地下水条件下,不同地区的气候条件,不同地区的资源特点有其独特的特点15,16]。此外,研究内容主要集中在浅层地热资源的分布特征和环境效益评价的研究较少17,18]。摘要自主研发的设备称为FTPT11现场热响应试验是用于四地热井,执行五个工作条件的模拟试验,包括初始平均地面温度测试(例1),高功率恒定热流测试(例2),低功耗恒定热流测试(例3),模拟恒温测试在夏季(4例),冬天和模拟恒温测试(例5)。这样,浅层地热能的发展潜力进行分析和计算。更重要的是,经济和环境效益的地源热泵系统可能被评估为以后工程建设提供参考。

2。总结

2.1。项目总结

研究区位于中央商务区(CBD)的东部新城安庆城市,安徽省,中国东南部,总面积1812亩,如图1。安庆位于中、低纬度地区有四个不同的季节。夏天热,冬天冷。为了实现可持续发展的新城市,计划大规模利用地源热泵空调技术,以减少使用化石燃料的比例在新的城市地区。

目前,有四个地热勘探钻孔在研究区,即192 k11 192 k12的,192 k13, 192 k14。大量的现场测试和实验室测试进行了获取地层参数和地热分布特征在研究区,以研究垂直埋管换热系统的潜力。

2.2。地层系统

地层在安庆城市分为两个地层区域的谭路的错。大别山地层区在西北安庆地层区东南。前由变质岩的大别山,上层太古代变质岩的Foziling集团降低原生代,中间基本火山岩上中生代的侏罗纪。后者层的总厚度超过12000米,但露头是不好的。零星分布在志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪。第四纪地层广泛分布;岩性特征如图所示2。

宣南组的岩石上白垩纪(K2x),紫红色;它涵盖了中厚砾岩、细砾岩砾石轴承粗砂岩和泥质粉砂岩层间的。砾石粒径1-50毫米,与通用排序和圆度。砾石有层理结构和沿倾斜方向排列。

在这项研究中,核心的K11和K14地热孔均获得实验室检测和分析(图3)。结果表明,孔K11的平均热导率是1.104 ~ 1.997 W / (m·K)和平均比热容是0.95 ~ 1.697 kJ /(公斤·K),而洞的平均热导率K14是1.107 ~ 1.755 W / (m·K)和平均比热容是1.074 ~ 1.589 kJ /(公斤·K)。总的来说,除了少数点,岩土体的比热容的钻探深度范围与深度变化不大,随深度和热导率没有明显变化(图4)。此外,由于洞K11和K12的接近而洞K13和K14附近,地层的岩性是一致的。因此,整个洞段的平均热导率计算研究中厚度加权面积约1.575 W / (m·K),适合地热开发。

3所示。热响应测试

3.1。安装的垂直式热交换器

四组的垂直热交换器被安排在这个调查中,所有的安装后二次的取心井眼(图5)。192年孔取心深度k11和192 k12的60米,和double-U-shaped PE管热交换器的安装54米,60米,分别。除此之外,192年孔取心深度k13和192年k14是100,和100米double-U-shaped PE管热交换器安装。PE管应该离开约1米长在地面上考虑连接热响应测试仪的需要。

3.2。热响应测试

3.2.1之上。介绍了测试

设备的主要性能参数(图6)这是自主研发的名为FTPT11现场热响应试验如表所示1。测试设备主要由热泵系统中,电加热器、补水罐、循环泵、循环管道,温度和流量检测元素,等流量计安装在供水管的垂直埋管,和温度探测点排列在供水管道、回水管,循环管,用于自动记录循环水的流量和温度的管道。

四组的热响应测试已经完成探索,和每个小组包括初始平均地面温度测试(例1),高功率恒定热流测试(例2),低功耗恒定热流测试(例3),模拟恒温测试在夏季(4例),在冬天和模拟恒温测试(例5)。

低功耗恒定热流测试的目的和大功率恒热流测试是获取综合导热系数深度范围内的岩土体垂直的热交换器。模拟恒温测试的目的在夏天冬天和模拟恒温测试是获取的传热功率每米长度垂直埋管换热器传热在特定条件。结合初始平均地面温度测试结果,传热功率单位长度之间的关系和介质温度的垂直热交换器进一步合身,和有效的垂直埋管换热器传热系数。

3.2.2。结果和分析

(1)岩土体的初始平均温度(案例1)。图7显示了测试岩土体的平均初始温度曲线的四个地热孔。经过一段时间的系统循环,最终稳定的平均水温(岩土体的初始平均温度)四个测试孔的插座是21.9°C, 20.8°C, 20.5°C,分别和20.5°C。

(2)高,低功耗恒定热流测试(例2和例3)。测试持续时间、加热功率和流量的测试孔48 h, 1.910千瓦,1.117³/小时,分别在低功耗恒定热流测试。根据测试数据,温度的曲线在进口和出口处标埋管的时间绘制如图8。每一个温度测量曲线可以分为两个明显的阶段:(I期)和稳定的温度急剧升高温度(第二阶段)。我在第一阶段测试的十个小时,温度在进口和出口处标埋管的变化迅速,在钻孔(回填材料)和温度迅速上升。第二阶段表明,井下的温度变化随加热时间,可以视为一个稳态热传导过程。

赫尔斯提出的线性源模型(16被选中来计算热导率。循环介质的平均温度可以表示如下: 在哪里是循环介质的平均温度(°C),是安静的地面温度(°C),每个长度的热通量(W),是周围的地面的平均密度BHE(公斤/米³),是时候,是周围的地面的平均比热容BHE (J / K)(公斤),钻孔直径(m),是钻孔周围的地面的导热系数(W / (m K))。

当加热时间足够长,得到以下方程:

之间的线性回归,提出了井壁温度和对数时间。方程(4)可以简化 在哪里的斜率是温度和对数时间之间的线性回归。

方程确定循环介质之间的热交换和周围的地面。因此,地面热导率可以确定。根据测试数据的每个测试的温度稳定部分洞,恒热流加热的曲线与每一个测试孔绘制如图9。

测试持续时间、加热功率和流量的测试孔48 h, 3.725千瓦,1.046³/ h,分别在高功率恒定热流测试。根据测试数据,画出曲线的温度在进口和出口处标埋管随着时间的推移,如图10。从曲线可以看出,曲线的形状基本上是一样的低功耗恒定热流测试。在第十个小时,温度变化在进口和出口处标埋管的相对快速,和温度上升迅速的钻孔(回填材料)。连续加热,温度变化的范围是孔减少,减少在洞里和传热过程类似于稳态热传导过程。

根据测试数据的每个测试的温度稳定部分洞,恒热流加热的曲线与画在图11,岩土体的平均热导率计算。

总之,岩土体的平均热导率在4个勘探孔(表2)计算结果的基础上高功率和低功耗恒定热流测试,以便预测研究区地热开采的影响更准确。结果表明,K11的平均热导率和K12的关系密切,而K13的价值和K14接近。这是因为黑洞K11和K12的接近而洞K13和K14附近,和岩性相邻钻孔之间的差异很小。

(3)模拟恒温测试在夏季和冬季(例4例5)。由于地源热泵项目是冬天夏天用来冷却和加热区域的研究中,有必要测试的操作影响热泵系统在储层条件下的早期建设。温度的变化在进口和出口处标埋管与时间的模拟冬季和夏季的条件四个地热井如图12。其中,模拟测试时间,供水温度和流量都是24小时,38.94°C, 1.28³分别/ h,在夏天,而50 h, 7.04°C, 1.22³在冬天/ h。后期的测试,温度和传热在进口和出口处标埋管的基本稳定,这表明,仿真测试时间符合要求。根据方程(2),数据在12 ~ 24小时后达到稳定温度曲线来计算每单位热量注入和提取特定的孔的位置。

根据案例1的结果,4,5和案例,传热之间的关系曲线的平均温度确定,如图13(一个)。单孔不同工况下的传热进一步推导出基于曲线,如图所示13(b)。其中,供应和回归水的温度条件模拟冬季和夏季条件下表所示3。

(1)测试结果。基于上面的孔的测试数据,平均导热系数,热注入,每个孔计算和提取,如表所示4。因此,每单位热量注入和提取双u换热器的浅孔(54 m ~ 60 m)和深孔(100)37.9 (W / m), 48.1 (W / m), 43.7 (W / m)和51.3 (W / m),分别。排热能力和热回收能力的双u换热器更高深孔增加了15.3%和6.7%,分别比较了双u热交换器在一个浅坑。

4所示。浅层地热能的发展潜力的研究领域

4.1。限制浅层地热能的发展条件

垂直地源热泵系统可以提供冬天夏天冷却和加热。地下传热功率在夏季和冬季,分别指的是传热功率释放到土壤在夏天和冬天从土壤吸收。以十万平方米的建筑为例,假设在夏季冷负荷80 W / m,冬季热负荷是40 W / m时,地源热泵项目采用double-U-type换热器for100米,冷却和加热负荷8000千瓦和4000千瓦,分别。地下传热能力和在夏季和冬季可以由以下公式计算,分别为: 在哪里在夏天是土壤的传热功率放电(千瓦);总冷负荷是空调在夏天的末尾(千瓦);冬天是土壤的传热功率吸收(千瓦);是总热负荷的空调在冬季(千瓦);警察₁水源热泵机组的制冷系数在设计条件下;该值为5.4;和警察₂水源热泵机组的供热系数在设计条件下;的值是4.3。结果显示,通过计算方程(4)和(5),可以看出,除夏季炎热的权力应该是9481千瓦,和冬季热量提取功率是3070千瓦,达到设计目标。

4.2。地热井的布局

根据各种热孔表中给出的结果4可以看出,双u热交换器的传热能力的浅孔(54 m ~ 60 m)低于(100米)深的洞。考虑到需要减少面积提高垂直埋管换热器的换热能力或单一洞的换热能力,推荐使用100 double-U-type换热器后地源热泵项目。因此,为了满足需求的冷却和加热冷却和热负荷计算8000千瓦和4000千瓦,分别的一栋建筑面积十万平方米,热源井的数量安排如表所示5。满足目标区域的加热和冷却的需求,需要大约2170个类似的地热井在夏天,而需要至少600地热井操作同时在冬天。

在冬天供暖系统运行了90天,一天18小时。在夏天,制冷系统运行120天,每天12小时,在冬季和夏季负荷系数是0.75。

夏天的热积累放电 GJ。

冬天积累的热量排出 GJ。

5。经济和环境效益

5.1。经济评价

操作的经济可以间接反映了地源热泵能耗成本。表6显示了比较成本的纯电动加热;以煤锅炉加热火,油火,和气体火灾;传统中央空调(制冷和加热两用);和地源热泵供暖。从能量转换的角度看,1千瓦时电能只能生产1千瓦时的热能,和燃气锅炉的热效率仅为70% ~ 90%,这意味着它需要4000 ~ 5143 kJ产生相同的热量。传统中央空调系统中,警察大约是2.2 ~ 2.3只需要1565 ~ 1636 kJ能源产生相同的热量,而857 ~ 1091 kJ产生相同的热量需要的热量地源热泵空调系统中,警察大约是3.3 ~ 4.2。

假设建筑物的供热面积十万平方米,总在冬季热负荷4000千瓦。在整个供暖季节的平均负载率为0.75,总热供暖季节的需求是17496 (GJ)。在此基础上,计算不同加热方式的能源成本如表所示6。

比较能源成本每平方米在图所示14,使用燃煤锅炉的成本最低,其次是地源热泵、燃气锅炉、中央空调、电热。然而,燃煤锅炉将会使环境污染更严重,产生空气污染和固体废弃物污染。能源成本每平方米的地源热泵是最低的其他三种方法,这是很好的保护环境。同时,地源热泵是一种冷热源类型符合国家能源发展方向,从而不仅热而且很酷。与其他冷热源类型相比,它应大力推进因其明显的节能。

5.2。环境效益

进行环境评价。表7展示了各种能源转换成标准的参考系数煤炭、和标准煤量( )保存利用浅层地热能源取代传统煤炭评估冬天取暖。

基于节约标准煤的数据( )计算公式(6),从煤炭储蓄带来的社会和环境效益评估在相同热值。减排的计算和治疗成本节约煤炭燃烧的空气污染物和固体废物如表所示8。

假设建筑物的供热面积十万平方米,热负荷4000千瓦,环境效益的评估结果带来的开发利用浅层地热能在冬天取暖如表所示9和10。

可以看出,浅层地热能资源的开发和利用为冬季供暖代替传统能源可以减少59.7吨固体废物的火山灰和空气污染物的排放1442.5吨二氧化碳,二氧化硫,氮氧化物,悬浮尘埃每年当建筑物的供热面积十万平方米。因此,166000元可以保存在环境处理(图15)。

6。结论

根据上面的分析和计算测试结果,可以得到以下结论,稍后可以提供的基础工程建设:(1)的初始平均温度浅层54米60米的研究区域是20.9°C ~ 21.9°C。平均综合导热系数(平均高和低功耗测试的结果)的地层是1.80 ~ 1.92 W / (m。°C)。最初的平均温度比100层浅约20.5°C,和平均综合导热系数(平均高和低功耗测试的结果)岩土体的这一层是2.06 ~ 2.09 w / (m·°C)(2)排热能力和热回收能力的双u换热器更高深孔增加了15.3%和6.7%,分别比较了双u换热器的浅孔(3)能源成本每平方米的地源热泵是11.8元一幢十万平方米的排热能力预计将在冬天夏天9481千瓦和3070千瓦。每年排放的二氧化碳,二氧化硫,氮氧化物,悬浮尘埃,和其他空气污染物向大气中可以减少1442.5 t,固体废物灰和渣可以减少59.7 t。年度环境治疗成本将节省166000元

数据可用性

用于支持的数据研究中可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。