地热资源梯级利用工艺

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地热资源梯级利用工艺

来源：北京鸿鸥成运仪器设备有限公司 2020年09月25日 08:48

　【一】研究意义

　　我国广泛分布着中低温地热资源，非常有利于供热、养殖、种植等直接利用。据地热协会(IGA) 2000年统计，我国地热直接利用量已37908TJ/a，居世界*。我国的地热直接利用中有很大一部分是用来供热的，地热供热已在天津、北京、西安和黑龙江、河北等省市得到广泛推广，供热面积已达1180万平方米（2001年统计数据）。特别是天津市，地热供热面积已达860万平方米，占全国的74%。

　　然而由于目前在一定程度上存在着粗放型开发现象，我国的地热利用还存在如下问题：

　　1.利用结构单一

　　以地热采暖为主要目的的地热利用系统，不仅开发消耗的资源量很大，而且简单的用热之后，没有进行很好的深度开发，就将大量的地热水排放掉。使地热资源的复合特征没有充分的发挥，造成资源的较大浪费。

　　2.利用技术、工艺及设备配套尚需进一步优化

　　目前在利用设备配套水平上，不能把地热资源的能量充分利用和提取出来，从而使资源的利用率较低。历*遗留下来的老的地热井系统中存在不经济、不合理、浪费大等问题。

　　3.排放温度高，造成资源浪费与新的环境问题

　　在地热采暖系统中，受常规的管网式供热工艺和技术水平的限制，地热水经一级换热后的温度仍然很高，一般不低于40℃，不仅造成资源的严重浪费，又给环境带来了热污染。地热作为一种清洁的新能源，市场的需求会愈来愈大。但不能只依靠增加地热资源的开采总量来扩大利用规模和满足市场需求，而是要依靠科技进步，提高利用水平。就目前利用的水平来说，还有很大的潜力可挖。从现状看，排放温度普遍在45-50℃,地热水开采出来的温度平均在85℃，平均利用温差为40℃，如果采用新技术把温度降到20℃左右，可提取更多的热量以利用。

　　利用技术的创新与发展，是解决粗放式开发的关键问题。地热开发利用中存在的不科学、不合理、不经济，浪费大、污染重的诸多问题，只有依靠科技才能解决。要借助于市场的推动和协调，资源意识的增强，公众的参与，大力推进地热利用中新技术、新工艺、新方法的应用，解决长期以来一直不好解决的诸如腐蚀问题、地热弃水温度高的问题、地热资源的多种功能不能全部发挥的问题等。通过科技创新，把跨学科，跨领域的技术相互结合，取长补短，实现突破。

　　【二】基本概念

　　为了解决地热尾水排放温度高、资源利用率低与环境热污染问题，开发了地热资源梯级利用技术。地热梯级利用就是多级次地从地热水中提取热能，多层次地利用地热能。通常情况下，可以将地热能要供暖的总负荷分成高温供暖部分与低温供暖部分，先按照高温供暖设计方法提供一部分供暖负荷，然后按照低温供暖设计方法提供其余的供暖负荷。高温供暖部分一般可以采用管网方式，低温供暖部分可以采用地板辐射采暖和风机盘管。

　　地热梯级利用工艺充分发挥了地板辐射采暖、地热热泵的优势。地板辐射式采暖与热泵技术，可以大大降低地热水的排放温度，从而提高热利用率，即地热水首先通过板式换热器换热，供管网系统采暖，再二次换热供地板辐射采暖系统（*非金属系统也可直供），地辐射采暖系统下来的地热水再利用热泵技术提热或直接供热，或采用调峰。在这三个温降级次间，根据需要，拓宽生活洗浴、康乐理疗、矿泉水、花卉种植等项目，以减少这些配套项目所需要的资金投入和土地、能源、淡水资源的消耗，使地热水的多种功能得以发挥。在以供热为主要用途的系统，必须采取回灌开发方式，使当时不能*消化的尾水重新回到热储层，经过地下的热交换，可以再开发出来更多的热能。所有这些都需要以科技为先导，创新为突破，解决系统功能实现的瓶颈问题，依靠科技进步提高地热资源利用的集约化水平。

　　【三】技术原理

　　以往的地热供热设计是通过一级换热进行的，即地热水抽取后进入换热器，提取热量后排放。由于换热器所能换取的热量是有限的，使得这种供热方式的热能利用率不高，并造成严重的热污染。

　　为了解决这个问题，提出热水双循环系统梯级利用新技术。根据建筑物的规模、负荷、末端设备进行分类，分成若干组团，根据各组团的负荷，将系统总负荷划分成几个部分，并且要结合各组团设计参数和负荷量来确定各部分的系统参数，同时使各部分参数与负荷之间相互藕合，优化配置，在满足各部分负荷要求的同时，使整个系统总负荷能力得到增强。

　　具体实施方法如下：

　　(1)开采出来的地热水，经过换热器，提取热能供管网系统供热，即为第1梯次。

　　(2)第二梯次是将经过一级换热的地热水进行再次换热，提取能量供地板辐射采暖系统供热。

　　(3)由第二梯次系统排出的地热水，进入热泵机组进行温度的提升后供小区新开发的采暖，或者热泵机组将温度提升后，将热送回第二梯次热网中，供热负荷并入第二梯次热网中，即为第三梯次。

　　(4)热泵机组排出的地热水由另一眼地热井回灌到地下。至此完成了一个循环过程。由此解决地热资源利用中存在的诸多问题。

　　该技术的目的是使地热供暖从一级利用扩展到多级利用，从而充分发掘地热资源的潜力，减少环境热污染，提高能源利用率。

　　【四】技术关键

　　1.藕合自控双循环调温技术

　　地热供暖、供水系统的控制核心是要做到节水、节电，并保证供暖和供水的良好效果。因此，地热梯级利用系统中的一个核心问题是要将利用系统与地热开采系统有机地起来，做到利用多少开采多少。实现这一要求的关键是解决好系统的控制技术问题。

　　地热供热中存在两个循环系统。一个是用户热力子系统，负责室内供热，该系统的特点是水温可调而流量不可调，即调质不调量。另一个是地热水子系统，负责热水开采并向用户热力子系统提供热能。由于地热水温度是相对恒温的，总热量的变化只能通过流量来控制，因此，该系统的特点是调量不调质。两个系统之间通过换热设备连接并进行热交换。地热水开采量的变化决定了供热总能量的变化，从而决定了用户热力子系统的变化，决定了室内温度的变化。利用这一特点，建立自动控制系统，将室内温度需求反馈到地热水子系统中，对开采量进行调节，实现室内温度的调节。这个调节过程是由藕合自控双循环调温系统来控制的。藕合自控双循环调温技术的基本原理是：根据室外温度的变化，调节室内供热负荷，再将室内供热负荷信号传送到地热水子系统中，调节地热水流量，实现对地热水总热量的调节，进而调节用户热力子系统的循环水温度，实现对室内供热负荷的调节，保证室内恒温。图1为藕合自控双循环调温技术原理图。

　　2.各级参数的藕合匹配

　　地热梯级利用工艺的另一个关键是各级参数的藕合匹配。首先是用户热力子系统各级参数的匹配，用户热力系统一般分三级进行，各级的供热温度要根据供热面积与负荷要求确定。确定各级供热温度后，就可以相应地确定地热水系统的换热温度。地热水系统一般采用两级换热一级提温的方式，各级换热温度与提温量由自控系统根据供热参数确定。

　　3.直供与间供方式的选择

　　在地热用于供暖的开发利用过程中，由于各地水质、温度和采暖设施的不同，利用的形式也就各有不同。但总结起来其基本形式有两种，一种是地热水直接进入末端设备的供暖方式，叫直接供暖方式;另一种是通过换热器将地热水的热量交换到另一种介质中，通过此种介质的循环，把热量传递到各采暖用户，叫间接供暖方式。

　　对于地热供暖系统采取直接供暖方式好还是间接供暖方式好，需要综合考虑地热水的水质、水温、末端设备选型、是否回灌以及资金状况等许多因素。但影响选择直接供暖和间接供暖的主要的因素是地热水的水质和温度。

　　①地热水温度因素

　　间接供暖需要使用换热器，使用换热器必然有热量的损失。对高温资源来说，热量损失相对于资源品位而言较小；而对低温资源来说，由于本身温度不高，热量损失相对资源品位就比较大。并且，由于低温地热井的水温较低，为尽量减少换热温差热交换时需要的传热面积就比较大，换热器的成本相应也要增加。尽管如此，具体应采用何种方式仍要以水质的腐蚀特性而定。

　　②地热水水质因素

　　利用地热进行直接供暖存在腐蚀结垢问题。地热水的水质将会直接影响到整个供热系统设备的腐蚀程度。采用间接供热时，可以选用耐腐蚀性很强的钦板换热器，避免地热水和采暖系统管道的直接接触，也就避免了系统的腐蚀结垢问题。因此，对于水质差的地热水应优先选用间接供暖方式。

　　【五】设备组成及其功能

　　该工艺主要包括井口装置、换热器、热泵、分水器、集水器、除污器、循环泵、补水泵、补水箱等。

　　其功能如下：

　　1.井口装：将地热井进行封闭，缓冲热胀伸缩，安装潜水电泵；

　　2.除砂器：净化与过滤地热水中的砂粒与杂质，避免堵塞及破坏系统设备；

　　3.换热器：进行热交换；

　　4.热泵：提升及交换热能；

　　5.分水器：进行供水分流；

　　6.集水器：进行回水汇集；

　　7.除污器：清除水中的杂物；

　　8.循环泵：提供动力，推动水循环；

　　9.补水泵：补充二次网的水量消耗；

　　10.补水箱：贮存水以供补水泵使用。

全自动野外地温监测系统/冻土地温自动监测系统

地源热泵分布式温度集中测控系统

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TD-016C型地源热泵能耗监控测温系统

产品关键词：地源热泵测温，地埋管测温，浅层地温在线监测系统，分布式地温监测系统

此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

采集服务器通过总线将现场与温度采集模块相连，温度采集模块通过单总线将各温度传感器采集到的数据发到总线上。每个采集模块可以连接内置1-60个温度传感器的测温电缆相连。本方案可以对大型试验场进行温度实时监测，支持180口井或测温电缆及1500点以上的观测井温度在线监测。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套*基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

１.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇，对建筑物进行供热和供冷，在埋地管换热器设计中，土壤的导热系数是很重要的参数，而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长，测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地源热泵地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的地源热泵测温电缆设计方法，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的数字总线式测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设