地热水多元梯级综合利用模式及其应用.pdf

第6 l 卷第4 期 2009 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．2009 地热水多元梯级综合利用模式及其应用 刘峰彪 北京矿冶研究总院，北京10 0 0 4 4 摘要研究地热水多元梯级综合利用的技术模式。地热水多元梯级综合利用模式中包括低温辐射采暖技术、热泵技术、新 型板式换热技术和地热水四灌等新技术。根据地热水的水量、温度、供暖负荷、用水负荷和现场具体条件，阂地制宦、合理地确定 方案，多种采暖方式町以并存，也可以串联或并串联交叉形成梯级采暖。应用自控技术及其他技术手段最大限度地利用热能，尽 可能降低尾水温度和减少尾水排放。四个地热水综合利用实例应用证明地热水多元梯级综合利用模式科学合理。 关键词环境T 程；地热水；多元梯级综合利用模式；应用 中图分类号T K 5 2 9 ；X 5 2 3 X 8 2 4文献标识码A文童编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 1 7 0 0 6 地热水通常是指温度低于9 0 。C 、可直接被利用 于采暖、洗浴、医疗保健和各种形式的工业用热，以 及水产养殖、农业种植和灌溉的水热资源，由于它取 自地下深层断裂带，富含多种矿物质，所以又是“热 矿水”资源，作为“热能”，它可替代造成严重空气污 染的燃煤，同时也可替代燃气和燃油这两种前期投 入和运行成本都十分昂贵的燃料，被称为“二十一 世纪的绿色能源”。作为“热矿水”，其富含锂、氟、 氡、偏硼酸、偏硅酸、锶等多种矿物质，有一定的医 疗、保健、养生作用，经常用热矿水洗浴，对高血压、 冠心病、心脑血管、风湿病、皮肤病等有一定疗效，同 时因地热水深埋在地下，几乎不含细菌和有机物污 染物，又可用来制作饮用水或矿泉水。鉴于地热水 的这些优越性，它的开发利用已越来越得到广泛关 注和快速发展。 我国是地热水资源大国，近些年地热水的开发 利用增长速度前所未有，以地热供暖为例，1 9 9 0 年， 全国地热供暖面积仅1 9 0 万m 2 ，到2 0 0 0 年发展到 1 1 0 0 万m 2 ，而2 0 0 5 年底连同地源热泵供暖面积已 接近2 0 0 0 万m 2 ’2 1 ，相当于每年以1 0 ％的速度增 长，大大高于世界上地热直接开发利用率每年增长 6 ％的平均水平。地热水利用方式也由原来的单一 洗浴和直接供暖发展为现在的供暖、洗浴、医疗保 健、水产养殖、农业温室、农田灌溉及工业生产等多 收稿日期2 0 0 8 1 0 0 9 基金项目北京市自然科学基金资助项目 8 0 3 2 0 1 4 作者简介刘峰彪 1 9 7 0 一 j 男．山西平遥县人，高级工程师，硕士， 主要从事地热水处理利用及水处理方面的研究和工程 设计工作。 个方面。 虽然我国对地热水的开发利用取得了很大的发 展，但在对地热水的利用技术水平上同国外相比还 存在不小差距，主要表现在热能利用率低、弃水温度 高、弃水量大、资源浪费比较严重和地热利用的装备 水平比较落后。尽管也有一些地热水综合利用成功 案例的报导”“1 ，但整体上看我国缺乏地热水多元 梯级或综合利用的全面的、系统性的、具有指导性的 利用技术模式或方法，为此研究设计了地热水多元 梯级利用模式，希望能为我国地热水的合理、科学、 高效利用提供依据和技术支持。 1地热水多元梯级综合利用模式 地热水多元梯级综合利用是一项系统工程。地 热水利用要尽可能利用其作为资源和能源的特点， 克服单一的利用方式。利用其作为能源的热能供 暖，利用其作为资源的特征洗浴、医用治疗、游泳，利 用其高矿化度的性能制造矿泉水，利用采暖回水、换 热尾水作为养殖或灌溉用水，有些场合用做喷泉、水 幕等景观用水等。 在研究制定地热水多元梯级利用模式时，确定 了该模式的应用范围和遵循的原则及满足条件。 1 考虑适用于采暖、洗浴、游泳、医疗、农业温室、 水产养殖、景观用水等，未充分考虑特殊工业应用。 2 地热水综合利用模式遵循的原则为最大限度利 用地热水热能，尽可能减少尾水排放或采用尾水回 灌，并在满足使用要求的前提下保持热能、水量守 衡。 3 认为洗浴用水、泳池用水、养殖用水、农业 灌溉和景观用水等为地热水的最终应用。 地热水多元梯级综合利用模式的制定考虑了地 万方数据 第4 期刘峰彪地热水多元梯级综合利用模式及其应用 1 7 1 热水的不同条件，如水量大小、温度高低、水质好坏， 同时还考虑到用户的不同应用条件，如用水量、用水 方式、供热负荷等，再结合相关的配套技术，包括低 温辐射采暖技术、热泵对尾水热能提取利用技术、新 型板式换热等技术，最后通过环保、暖通、给排水、电 气自动化等多学科多专业相结合进行工程化实践， 从而研究设计了地热水多元梯级综合利用模式，如 图1 所示。 地热水多元梯级综合利用模式几乎利用了当今 地热水领域的所有先进技术成果，包括低温辐射供 暖技术、热泵技术、新型板式换热技术。乃至地热水 回灌技术等，形成了地热水的多元梯级综合利用，如 地热水经多级采暖后的回水可供洗浴、泳池、医疗、 养殖用水或用于景观、灌溉、制饮用水等。为使地热 资源成为一种可持续利用的资源，采暖地热尾水可 考虑回灌。 地热水综合利用首先考虑利用热能供暖 或热 能的提取利用 ，根据水质、水温等条件和配套采暖 技术可选择直接或间接供暖方式，配套的采暖技术 有散热器采暖、地板辐射采暖和风机盘管采暖技术。 一般地热水经处理后，散热器和地板辐射采暖可采 用直供方式，风机盘管采暖采用间接供暖方式，直供 要多考虑地热水中的C l 一和H S 对设备和管路的腐 蚀性。散热器采暖不适用低温水，通常它是按照供 回水温度9 5 ℃和7 0 ℃设计的，若要降低供回水温 度，则需要大面积地增加散热器面积，但即使这样， 供水温度也不应低于6 0 ℃。据计算，采用自然对流 的铸铁散热器，供回水温度每下降5 ℃，就要增加 1 2 ％的面积。地板辐射采暖的供水温度要求较低， 正适合于地热水的特点，它的最高温度不能超过 6 0 ℃，较佳温度为4 0 ～5 0 ℃。风机盘管采暖的供水 温度一般不超过6 0 ℃，较佳温度为5 0 5 5 “ C ，供回 水温差一般为5 一1 0 ℃。热泵技术借助板式换热器 可将地热尾水温度降到1 0 ℃左右，将极大提高地热 水资源的利用率，同时大幅度地提高单口地热井的 供暖面积。该地热水综合利用模式中，三种采暖方 式可以并存，也可串联形成梯级采暖，或并串联交 叉，具体要根据地热水的水量、温度、供暖热负荷、用 水量和现场条件确定。 图1地热水多元梯级综合利用模式 F i g ．1 M u l t i c a c a d ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nm o d eo fg e o t h e r m a lw a t e r 万方数据 1 7 2 有色金属第6 1 卷 地热水采暖过程中附加调峰系统是非常有效和 经济的措施。所谓调峰，就是将采暖的热负荷分为 两部分，基本热负荷由地热承担，尖峰负荷利用其他 供热设备。该模式中虚框内的部分为备选设备，当 地热水通过第一换热器供给的热能能满足供暖负荷 时，第二换热器、浅层水井、电加热器、锅炉就都不需 要 这里只考虑供暖情况 。当第一换热器供给的 热能不能满足供暖要求时，就需考虑采用第二换热 器，并考虑采用电加热、锅炉、热泵或浅层水井补充 热能或调峰，具体方案的选择需视现场条件、投资成 本及运行费用等全盘考虑。 在合理利用地热水的基础上，如何维持水量和 热量的平衡是地热水多元梯级综合利用中的最大问 题，经常是满足供暖要求的情况下排放尾水较多，虽 然可将其用于景观、灌溉等，有条件的可进行地热尾 水回灌，但若利用热泵技术，则可以缩小这种热量和 水量之间的不平衡，且降低排放尾水温度和减少排 放量。 2 地热水多元梯级综合利用模式应用 以四个用户地热水综合利用研究及工程实例对 地热水多元梯级利用模式进行了应用和验证。 2 ．1 某宾馆的地热水综合利用实例一 某宾馆是集住宿、餐饮、游泳、桑拿等娱乐于一 体的商业单位，共有建筑面积8 0 0 0 m 2 ，内建2 5 mX 1 2 ．5 m 的泳池一个。其地热水温度为5 0 ℃，水量 4 0 m 3 ／h 。由原来的锅炉供暖改造为地热水供暖，考 虑到地热水温度较低，为确保室内温度设计增大了 铸铁散热器的面积。某宾馆地热水综合利用流程见 图2 。 5 t f c t g 热水卜叫地热水处理设备卜叫水箱1 采暖刨水甜J ℃卜一踟 M J m z 建筑面积散热器采暖 二级过滤器卜- 叫水箱2 卜叫供洗浴用水3 t X h n a ／d 供泳池补水l O O m S l d 图2 某宾馆地热水综合利用流程 F i g ．2 F l o w s h e e to fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nf o r g e o t h e r m a lw a t e ri nah o t e l 该宾馆地热水综合利用采用直接供暖，回水再 去供洗浴和泳池用水，为两级利用，该工程已运行8 年多。由于洗浴用水和泳池用水有限，对供热回水 无其它利用，致使冬季全负荷采暖时大量排放尾水， 造成地热水资源的较大浪费。尽管如此，该地热水 工程是北京市最早实施地热水梯级利用的工程之 一，若能扩大供暖尾水的利用，该工程仍不失为地热 水梯级利用的典范。 2 ．2某居民小区地热水的综合利用实例二 某居民小区是以开发房地产为主、开展多种经 营的综合性产业小区。该小区一期工程实施时，地 热井出水量5 0 m 3 ／h ，水温6 5 ℃。 结合该小区的现状和发展规划，研究制定了多 元梯级综合利用方案。采用散热器采暖一地板辐射 采暖一洗浴、泳池用水或养殖用水及制矿泉水多元 三级利用流程，其中地板采暖出水又通过板式换热 器以锅炉补热再供暖。地热水综合利用流程及水量 平衡见图3 。 1 利用地热水住宅楼供暖。小区当时有 3 5 0 0 0 m 2 的建筑，包括2 8 0 0 0 m 2 的住宅楼和7 0 0 0 m 2 的办公楼，住宅楼中1 1 0 0 0 m 2 左右为柱状散热器采 暖，其余采用地板辐射采暖，办公楼为散热器采暖。 经核算，此6 5o C 、5 0 m 3 ／h 的地热水不能完全满足所 有建筑的供暖要求。为此，将地热水先经过一级处 理去除掉铁和H S 及其他污染物后，先直供 11 0 0 0 m 2 住宅楼散热器采暖，再去供1 7 0 0 0 m 2 的住 宅楼地板辐射采暖。一级散热器采暖出水温度降到 约5 5 ℃，经二级地板辐射采暖后水温降至约4 0 ％， 可作为供洗浴、泳池等用水的水源。 通过柱状散热器采暖的回水中可能会含有少量 的铁锈，通过水力旋留器去除水中杂质后即可直接 用于地板辐射采暖系统。该供暖方式在水量和温度 上满足了小区住宅楼的供暖要求，并为地热水的后 续利用提供了条件。 2 利用住宅楼采暖回水作为办公楼采暖系统 的补充水。如上所述，小区2 8 0 0 0 m 2 的住宅楼建筑 供暖已满足，但是还有近7 0 0 0 m 2 左右的办公楼供 暖未保证。为此将地板辐射采暖后的地热回水，通 过板式换热器与小区锅炉房内的热水换热，将温度 提升到5 0 5 5 ℃左右，而后对办公楼进行供暖，供 暖后水温可降到约4 0 ％，供暖水量控制在2 0 m 3 ／h 左右。由此保证了小区3 5 0 0 0m 2 建筑的供暖。 3 利用采暖回水供洗浴用水。采暖回水的温 度在4 0 0 C 左右，可满足一般洗浴用水的温度要求。 对采暖回水进行再净化处理除去供暖过程中可能带 人的杂质后，为小区居民和办公楼提供洗浴热水。 小区居住人口约为1 5 0 0 人，洗浴用水量约为 2 5 0 m 3 ／d 。 万方数据 第4 期 刘峰彪地热水多元梯级综合利用模式及其应用1 7 3 图3 某小区地热水综合利用流程及水量平衡 F i g ．3 F l o w s h e e to fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n dw a t e rb a l a n c ef o rg e o t h e r m a lw a t e r i nar e s i d e n c ec o m m u n i t y 4 利用采暖回水作泳池循环水补水。小区有 一2 5 1 2 ．5 1 ．7 m 的公共泳池，按每日2 0 ％的补 水量，需补充1 0 0 1 5 0 m ’的新水。采用经净化处理 后的采暖回水作为泳池循环水的补充水，既补充了 水量又维持了泳池的水温，节省了泳池循环水加热 设备，节能节水。 5 利用采暖回水进行渔业养殖。小区内养有 热带鱼供观赏或出售，每天需要补充3 5 ～4 0 0 C 左右 的热水1 0 0 多m 3 作为养鱼池新鲜补水和补充热量， 利用地板辐射采暖后的低温回水正好可满足要求。 6 利用地热水制成桶装矿泉水。该地热水中 富含有多种对人体有益的矿物质，如锂、锶和偏硅酸 等，因此充分利用这一特征，将采暖回水进一步处理 后制成了饮用矿泉水。地热水中矿物成分含量如表 1 所示。 制备饮用矿泉水，既要除去地热水中氟化物等 有害成分，还必需保留水中的偏硅酸、锶等有益物 质，为此设计安装了一套矿泉水制备设备，包括冷却 塔、精滤、电渗析及罐装设备等，处理能力为l O m 3 ／ h 。冷却塔确保将供暖回水的温度降到3 5 ℃以下， 而后通过精虑、电渗析处理制成合格的桶装矿泉水， 桶装水自用或外卖，既节约地热水资源，又为企业创 造经济效益。 由上述可知，供洗浴、泳池、养殖和制矿泉水的 日用水量约为6 0 0 ～7 0 0 m 3 ，所以二级净化设备的处 理量为3 0 m 3 ／h 。对于多余部分的采暖回水，直接外 排人人工湖作为景观用水。 夏季可直接利用处理后的地热水作为洗浴、泳 池和养殖热带鱼用水。洗浴时需要用自来水勾兑温 度过高的地热水，这样既充分利用了热源，又节约了 水资源。 表1 地热水中矿物质成分 m g ／L T a b l e lM i n e r a lc o m p o s i t i o ni ng e o t h e r m a l w a t e r m s ／L 成分百丁{ 等而 成分可玎攀笋丽『_ 面 垒量』 里g 垦2 竺墅 兰QQ 旦 竺 综上所述，该小区的地热水形成多元三级利用， 在多年的应用实践中基本做到了地热水资源、热能 的充分利用。目前该小区已发展成为北京市颇具规 模和影响的几十万平方米的大型综合性小区，对地 热水供暖回水的利用也更加完全和充分。 2 ．3 某培训基地地热水综合利用实例三 北京某培训基地是集培训、食宿、游泳、景观休 闲及配套服务功能于一体的综合性培训中心，共有 建筑面积2 7 0 0 0 m 2 ，其中主楼和东配楼1 7 0 0 0 m 2 ，其 他西配楼、四合院、小客房楼、职工宿舍等1 0 0 0 0 m 2 ， 地热井最大出水量为2 0 0 0 m 3 ／d ，水温6 8 ℃。经充分 考虑、核算水量、水温、供暖热负荷和其他应用条件， 研究设计了地热水综合利用方案地热水经封闭式 曝气接触氧化法“ 1 处理后，先通过板式换热器换热 为1 7 0 0 0 m 2 建筑提供风机盘管采暖，换热后回水温 度降到4 5 ℃左右，再为1 0 0 0 0 m 2 建筑提供地板辐射 万方数据 1 7 4 有色金属 第6 1 卷 供暖，同时提供洗浴用水和泳池用水，地板辐射采暖 回水温度可降到3 5 ℃以下，最后进入人工湖供养鱼 或作为供景观用水。地热水综合利用流程见图4 。 图4 某培训基地地热水综合利用流程 F i g ．4 F l o w s h e e to fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nf o r g e o t h e r m a lw a t e ri nat r a i n i n gb a s e 该系统已运行5 年多，第一个供暖季运行时，仅 为原有的1 7 0 0 0 m 2 建筑供暖，当年为用户节约2 7 0 万元的供暖费 原为燃油锅炉供暖 ，当第二年建成 1 0 0 0 0 m 2 的地板辐射采暖建筑后，地板辐射采暖低 温回水进人人工湖供养鱼或作为景观用水，整个地 热水利用形成了多元三级综合利用，应该说该工程 对地热水进行了较为充分的利用。 2 ．4 某水上娱乐中心地热水综合利用实例四 某水上娱乐中心，总建筑面积约2 8 0 0 0 m 2 ，内建 有泳池、温泉池、桑那、冲浪池及娱乐休闲设施等。 其地热井出水量为5 0 m 3 ／h ，水温约5 0 ℃，要求充分 调峰补水6 3 I I l 3 ，I l 利用地热资源对该娱乐中心提供采暖、洗浴、泳池、 桑拿冲浪等用水，并考虑冬季供暖夏季制冷。 研究设计的地热水综合利用方案采用了板式换 热和热泵技术，从而降低尾水温度和增加供暖面积， 地热水综合利用流程图见图5 。 如图5 所示，5 0 ℃地热水经处理设备处理后，进 入第一个板式换热器换出部分热量给热泵水源，地 热水经过一次换热后降为4 2 ℃，将其中约3 0 m 3 ／h 的地热水供洗浴、泳池、桑拿冲浪等用水。另一部分 地热水可通过第二个板式换热器同样将热能传递给 热泵水源，使其温度降到1 2 ℃左右，可作为冲浪池 补充水、景观用水或中水，多余水排放。热泵水源通 过两级板换后的得到的低温位热能经热泵转换后输 出5 0 。C 以上的热水，通过系统末段风机盘管对整个 建筑物进行供热。当供暖负荷较大而换热器不能为 热泵水源提供足够的热能时，用地下水或用电锅炉 电锅炉为备用设备 补充热能调峰。夏季时，通过 切换阀门并结合浅层’水井，热泵可对建筑物进行空 调制冷，实现一机两用，节约投资。 地热水综合利用工程中由于热泵的使用，使地 热排放尾水的温度大幅度降低，地热水的供暖面积 大幅度提高，且由于采用自动控制技术，不仅可补热 调峰，保证室内温度，而且在建筑所需热负荷减少 时，用于换热的地热水用量可自动调整，节能节水。 地热水工程实施几年来，为该用户带来了明显的经 济效益。 浅层水井t , o I c 7 ”。 一鼢H 盟 地热井 3 0 m 3 m 4 2 ℃ 刊效三。％ 5 0 ℃广一 - - - - - _ l 采暖面积约 1 2 } I 州} 平方米 4 0 ℃I 热负荷2 2 4 0 k 供洗浴2 D m V d 图5某水上娱乐中心地热水综合利用流程 F i g ．5 F l o w s h e e to fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nf o rg e o t h e r m a lw a t e ri na na q u e o u se n t e r t a i n m e n tc e n t e r 热供掰 裂 万方数据 第4 期 刘峰彪地热水多元梯级综合利用模式及其应用 1 7 5 3结论 地热水多元梯级综合利用模式中包括低温辐射 采暖技术、热泵技术、新型板式换热技术和地热水回 灌等新技术，根据地热水的水量、温度、供暖负荷、用 水负荷和现场具体条件，因地制宜、合理地确定方 参考文献 [ 1 [ 2 [ 3 [ 4 [ 5 马立新 田茂华 刘峰彪 阚长宾 宾德智 案，多种采暖方式可以并存，也可以串联或并串联交 叉形成梯级采暖。应用自控技术及其他技术手段最 大限度地利用热能，尽可能降低尾水温度和减少尾 水排放。四个地热水综合利用实例应用证明地热水 的多元梯级综合利用模式科学合理。 田舍．我国地热能开发利用现状与发展[ J ] ．中国国土资源经济，2 0 0 6 ， 9 1 9 2 1 ． 浅谈地热资源的综合利用开发[ J ] ．技术中国石油大学胜利学院学报，2 0 0 7 ，2 1 3 1 6 一1 7 ． 陈谦，杨晓松．封闭式接触氧化法地热水处理新技术[ J ] ．有色金属，2 0 0 2 ，5 4 1 1 0 0 1 0 3 ． 元发庆，于晓聪，等．利用废弃油井开发地热能供暖[ J ] ．地热能，2 0 0 8 ， 4 1 9 2 1 ． 刘延忠，王仲芝，等．全国油区城镇地热开发利用经验交流会论文集[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 3 1 2 6 一1 3 3 ． ． [ 6 ] 刘玖荣，郑克棱，刘时彬，等．北京地热国际研讨会论文集[ M ] ．北京北京地质出版社，2 0 0 2 3 2 5 3 3 1 ． G e o t h e r m a lW a t e rM u l t i - c a s c a d eC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o nM o d eA p p l i c a t i o n L ／UF e 唱一b i a o B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h em u l t i f o r mc a s c a d ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nm o d eo fg e o t h e r m a lw a t e ri si n v e s t i g a t e d ．T h ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e di nt h eu t i l i z a t i o nm o d e ，s u c h 8 ．8 l o w - t e m p e r a t u r er a d i a n tb e a t i n gt e c h n o l o g y ，h e a tp u m p t e c h n o l o g y ，n e wp l a t e h e a t e x c h a n g e rt e c h n o l o g y ，r e i n j e e t i o nt e c h n o l o g y ，e t c ．B a s e d o nw e l l c o n s i d e r i n g g e o t h e r m a l f l o w s h e e ti s w a t e rf l u x ，w a t e rt e m p e r a t u r e ，w a t e rq u a l i t y ，h e a t i n g r e a s o n a b l ym a d ea c c o r d i n gt ot h el o c a lc i r c u m s t a n c e s ， l o a d ，w a t e ru s a g ea n dw a t e ru s i n gw a y ，e t c ．t h e av a r i e t yo fh e a t i n gm e t h o d scanc o e x i s t ，o rf o r m ac a s c a d eh e a t i n gw i t hc r o s s s e r i e so rp a r a l l e ls e r i e s ．A u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n do t h e rt e c h n i c a lm e a n sa r e a p p l i e dt om a x i m i z et h eu seo ft h e r m a le n e r g y ，r e d u c et h et a i lw a t e rt e m p e r a t u r ea n dr e d u c et h et a i lw a t e rd i s c h a r g e a sf a ra sp o s s i b l e ．I ti sp r o v e nb yf o u ra p p l i c a t i o ne x a m p l e so fg e o t h e r m a lw a t e rt h a tt h em u l t i f o r mc a s c a d e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nm o d eo fg e o t h e r m a lw a t e ri ss c i e n t i f i c a l l yr e a s o n a b l e ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；g e o t h e r m a lw a t e r ；m u l t i f o r mc a s c a d ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nm o d e ； a p p l i c a t i o n 万方数据