地熱能熱泵技術在高寒地區道路中的運用

  0 引言

 

  地熱能取之不盡用之不竭，有著巨大利用價值。地熱能熱泵系統，是一種利用地下地熱資源進行采暖、制冷、供熱水、發電等的系統。它只需輸入少量的電能，利用逆卡諾原理即可將能量由低溫熱源向高溫熱源轉移。尤其是在冬季，可以吸取土壤中的熱量，再將溫度提高到一定程度后運送到建筑物或者室內用于取暖。將地熱能用于道路橋梁以及機場碼頭的融雪化冰和防凍，是一項重大技術創新舉措，該技術的應用推廣對高寒地區冬季保證道路橋梁以及機場碼頭的暢通具有十分現實的經濟和社會意義。

 

  1 地熱能的原理與應用

 

  1.1 地熱能簡介

 

  地熱能是地殼中因太陽能量粒子與地核放射元素粒子交互作用產生的能量。它是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。地熱能在溫度上劃分為高溫地熱和中、低溫地熱，在中國一般界定溫度為150℃。高溫地熱能一般為深層地熱能，中、低溫地熱能一般為淺層地熱能。深層地熱能主要用于發電，而低溫地熱能一般需要使用相關技術提取熱量后再利用，提供采暖、生活熱水等。

 

  深層地熱能可遇不可求，開采難度大，而淺層地熱能遍布地球的任何角落。從地面20m到地下400m，地球存在著一個14℃～18℃的恒溫層，蘊藏著取之不盡的能源。淺層地熱能已經廣泛用于采暖、制冷、供熱水、烘干、冷藏冷凍、種植養殖等領域，在不久的將來還會迅速用于發電。是融雪化冰和防凍技術中最經濟、最可靠的手段。

 

  1.2 地熱能的應用

 

  人類利用地熱能的歷史悠久。20世紀中葉后，人們才開始真正認識地熱資源，并進行較大規模的開發利用。之后，地熱能的利用便在許多領域中開展。地熱發電便是地熱利用最直接的方式。地熱發電和火力發電所采用的基本原理是一樣的，但它們的不同之處在于地熱發電不需要消耗煤炭等燃料，而且也不需要龐大的機器設備。地熱供暖因簡單、可靠、經濟性好，受到各國的重視。其中冰島開發利用得最好，1928年冰島建成了世界上首個地熱供熱系統，現今地熱供熱系統已發展得相當完善，其技術的使用已經非常成熟，應用領域也越來越廣。

 

  但是，深層地熱能往往深藏在地下數千米，勘探開采成本和風險極高。而淺層地熱能開采簡單、維護容易、成本低廉，不受氣候環境的影響，在各種能源結構中最具有經濟性和實用性，將成為新能源開發的主力軍。

 

  近年來，在國家大力扶持下，我國利用淺層地熱能供暖、供熱水和制冷等技術發展迅速，尤其是在北方城市，比如在京津地區。

 

  2 利用地熱能的關鍵技術——熱泵

 

  目前地熱能利用技術主要是地源熱泵，其所具有的節能、環保特性，在國外已得到廣泛的關注與重視。我國在該領域的發展也已經有十多年，但是總體技術水平仍然不及一些發達國家，地源熱泵技術的發展空間仍然十分巨大。因此在中國優先發展高效熱泵循環系統、地熱換熱等方面將會非常重要。另外，淺層地熱能與其他能源互補循環、梯級利用的智慧能源系統，將把地熱能開發推向一個新的階段。

 

  2.1 熱泵技術介紹

 

  地能熱泵，也稱作地源熱泵。主要分為地表水、地下水和土壤源三種形式。在地下水和土壤相對穩定的情況下，地源熱泵通過從地表水、地下水和土壤中換熱，實現熱量由低位熱能區向高位熱能區的轉移。

 

  土壤源熱泵工作原理如圖1所示：

 

  冬季利用熱泵機組從土壤熱能中吸收熱量，然后將其傳輸給地面的建筑物，給室內或者其他空間提供暖氣；而到了夏季，熱泵機組恰好做一個相反的循環過程從而實現空調制冷。

 

  地能熱泵系統包括換熱系統、主機系統、末端系統三部分。

 

  換熱系統在高寒地區要因地制宜綜合利用地熱溫泉、地下水和地下換熱管路系統。

 

  地源熱泵系統不僅可以利用地表下層的相對穩定溫度，全年可以高效地運行取暖和制冷系統，運行成本極低；就地源熱泵系統本身來說，它采用的設備少又非常耐用，其相關部件都是深埋在地下和水中，受天氣或人為條件破壞的因素大大減少，穩定性高。地源熱泵的制冷劑封閉在主機內不會向外界泄露，不會對臭氧層造成破壞，有利于保護環境。地源熱泵能夠因地制宜，利用形式多種多樣，不拘泥于固定的模式。

 

  地能熱泵技術對克服高寒地區霜凍或者下雪天氣具有深遠的現實意義。

 

  2.2 地能熱泵技術在高寒地區道路橋梁中的運用

        2.2.1 高寒地區特點

 

  高寒地區一般都是氣候寒冷，霜雪天氣時間比較長，道路橋梁易受到霜雪的影響產生凍結，導致交通阻塞中斷。氣候較好的地方無霜期加起來也不超過一個月。這些地方的道路可能長時間處于凍結狀態，而且低溫早霜危害出現的次數相對比較頻繁，一般3～4年出現一次。另外，在高寒地區存在著各種小氣候，有時雖然在同一座山，山上和山下的氣候就不一樣，而就同一個水平面范圍內，南邊和北邊的氣溫也會不同。

 

  高寒地區道路橋梁和機場碼頭冰雪凍結造成的交通事故和交通中斷，對國民經濟和國防建設以及人民生命財產危害極大。而開發利用我國大部分高寒地區蘊藏的中高溫地熱資源和隨處都有的淺層地熱資源，完全可以解除這一憂患。

 

  我國高溫地熱能資源主要分布在藏滇地熱帶及臺灣地熱帶。藏滇地熱帶及臺灣地熱帶是環球地熱帶——地中海—喜馬拉雅地熱帶及西太平洋環島地熱帶的組成部分。藏滇地熱帶位于印度、歐亞兩大板塊的邊界。在該帶內，目前已發現水熱活動區600余處。這里的水熱活動十分強烈，有大量熱泉、沸泉和噴氣孔等，水溫多接近或超過當地沸點。臺灣地熱帶位于太平洋板塊與歐亞板塊的邊界。島上地殼運動活躍，第四紀火山強烈，地震頻繁，水熱活動區有100余處，100℃以上的有近10處。

 

  我國低溫地熱能資源廣泛分布于板塊內部中國大陸地殼隆起區和地殼沉降區。在板內地殼隆起區，發育有不同地質時期形成的斷裂帶，已經多期活動，它們多數可成為地下水運動上升的良好通道。大氣降水滲入地殼深部經深循環在正常地溫梯度下加熱，常常在相對低洼的地方（山前或山間盆地、濱海盆地，多在河谷底部），沿活動性斷裂涌出地表形成溫泉。根據地殼隆起區溫泉的密集程度，目前可初步劃分兩個低溫地熱帶，即東南沿海地熱帶及滇川地熱帶。

 

  東南沿海地熱帶位于太平洋板塊與歐亞板塊交接帶以西中國大陸內側，包括江西東部、湖南南部、福建、廣東及海南等地。這里有現代火山作用，但自中生代以來，地殼運動活躍，深斷裂發育。東南沿海地熱帶是我國低溫溫泉最為密集的地帶，集中分布的溫泉就有500余處。溫泉水溫大多介于40℃～80℃之間，也有少量80℃以上的。

 

  滇川地熱帶位于印度與歐亞兩大板塊交接帶以東，縱貫滇川南北，沿南北構造帶展布。這里，新構造運動強烈，地震頻繁。分布在該帶的溫泉共有100余處，南段較密集，溫度多在60℃以上，個別達90℃，北段較稀疏，水溫多在60℃以下。

 

  其他地區，如山東半島、遼東半島、河北山地、太行山、秦嶺、天山北麓、四川盆地的東南部、柴達木盆地東部等，溫泉也較集中，水溫大多在60℃以下，少數溫泉區水溫可達80℃～90℃。

 

  高寒地區往往也是地熱能資源最豐富的地區。這些地熱資源和淺層地熱資源應用熱泵技術綜合利用，是解決高寒地區道路、橋梁、機場、碼頭冬季融冰化雪的正確途徑。

 

  2.2.2 寒冷地區道路橋梁恒溫裝置系統設計

 

  （1）熱負荷的確定

 

  寒冷季節道路橋梁和機場碼頭熱負荷以保證道路路面和橋面暢通，24小時不結冰、不積雪為目標。熱負荷要根據分時測定的室外土壤溫度、路（橋）面溫度、空氣溫度、濕度、風速、交通量進行計算分配，保持路面溫度隨時處于融雪溫度以上。

 

  （2）換熱系統設計

 

  道路橋梁融冰化雪所需的熱量巨大。在有地熱溫泉資源的地方，應當首選地熱溫泉資源，其次利用地下水資源，最后才考慮用地埋管換熱系統，同時與太陽能集熱系統和大型冷回收冷凍系統集成設計。在有熱電廠或其他廢熱資源的地方，充分利用熱泵進行余熱回收來采集熱源。一般情況下，盡量使用多種能源互補綜合利用，以獲得最好的經濟效益。

 

  熱源量要在廣泛調查勘探道路沿線各種熱能資源的分布和可采量的基礎上，進行全面技術、經濟論證。

 

  （3）末端放熱系統設計

 

  末端放熱系統用來維持道路路面和橋梁橋面的融雪環境溫度。末端放熱系統布置在道路路面或橋面的結構層下面和道路兩側，也可以設置送風系統在道路的兩側直接吹刷路面。在越嶺線的埡口路段，應同時配置這兩種放熱系統，確保積蓄熱能及時融雪化冰。末端放熱系統按不同的放熱方式釋放熱負荷。

 

  為了既保障融冰化雪又最大限度地節約能源，換熱系統與放熱系統要通過主機進行智能動態控制。

 

  由于道路線長面廣，不同的氣候和地質條件使道路的恒溫裝置受到多方面因素的影響，需要先進行典型路段的試驗。

 

  3 結束語

 

  高寒地區道路、橋梁、碼頭、機場的融雪化冰，是長期困擾這些地區交通發展的老大難問題，嚴重阻礙了這些地區的國民經濟發展和國防建設。而高寒地區往往也是地熱能資源最豐富的地區。這些地熱資源和淺層地熱資源以及其他多種可再生能源通過熱泵技術循環利用，完全可以解決高寒地區道路、橋梁、機場、碼頭的融冰化雪，保持交通暢通，為這些地區的人民帶來福音。