天津市重热供热技术工程有限公司 天津市 300222
摘要：近年来，为了满足人类持续增长的能源消耗需求，传统以不可再生化石能源为主的能源结构亟待调整。2018年，我国建筑能耗约为 10 亿吨标煤，约占社会总能耗的 22%，其 中 北 方 城 镇 供 暖 约 占 建 筑 能 耗 的21. 2% 。目前，北方城镇供热面积超过 147 亿 m 2且仍在高速增长，因此研究利用清洁可再生能源的高效建筑供热技术十分必要。
关键词：地热能供热技术；研究现状；展望
引言
干热岩是一种新兴的地热能源，一种深藏在地下的储存着高温热量的岩石。它与传统发电能源相比，清洁干净、排放的污染物很少，与人类赖以生存的地球生态环境相协调。目前，我国发现了大量干热岩地热资源。据估计，储量相当于我国 3900 年的能源消耗量，但市场上尚没有干热岩发电的装置。因此我国在干热岩型地热能的技术研究上投入了大量的人力和资金，也出台了一系列政策扶持。未来，如果干热岩型地热能发电技术一旦突破，有望改变我国以燃煤为主的能源结构，成为我国未来综合国力中技术力的重要组成部分。
1地热能行业“十三五”发展情况分析
1.1 地热供暖快速发展
“十三五”期间，地热能供暖在京津冀大气污染传输通道的“2＋26”城市及汾渭平原11城市得到了快速发展，成为北方地区清洁供暖的重要绿色替代能源。根据15个重点省市数据统计测算，截至2019年底，水热型地热供暖新增面积3.76亿平方米，浅层地热能供暖（制冷）新增2.73亿平方米。根据前四年发展速度，预计“十三五”期间全国可实现新增地热能供暖（制冷）面积8.98亿平方米，其中水热型地热供暖面积4.8亿平方米；浅层地热能供暖（制冷）新增4.18亿平方米。地热供暖（制冷）面积累计达13.92亿平方米。
1.2 温泉利用和地热温室种植养殖持续发展
截至2019年底，根据“温泉之乡”的利用统计数据，温泉利用规模累计达到6 608兆瓦，这部分约占全国温泉利用总量的40%，计算得出全国全部温泉利用规模为16 520兆瓦，折合供暖面积2.81亿平方米。截至2019年，全国利用地热进行水产养殖已遍布20多个省的47个地热田，建有养殖场约300处，养殖池面积550万平方米。2019年，全国利用地热进行地热温室种植和水产养殖开发利用地热能折合装机容量分别为346兆瓦和482兆瓦，与2015年相比，分别增长了55.4%和55%，年利用地热能量分别为426万吉焦和502万吉焦，成为地热能利用的重要方式。
2地热综合采集装置
2.1主要功能
该装置主要能完成以下功能：将导入的冷水的势能由水轮发电机转化为电能；将导入的冷水在地热采集装置中变为水蒸气，并由加压装置将水蒸气向温差发电装置排放；水蒸气通入有外套冷水管道进行降温，而蒸汽冷却通道与冷水水管间裹上温差发电材料，经由温差得到电能；显示屏会显示温差的采集数据和显示发电机运行情况，以及发电效能。
2.2机械结构设计
（1）水流发电装置基本原理：在水轮机中，水流通过蜗壳的导流作用径向流入导水机构，将液体动能转化为静压能，再通过叶片将静压能转换为转子的动能。
转轮通过主轴与发电机转子联轴，带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电，再经过变压器升压通过输电线路将电力输出到电网中，水流最后轴向流出转轮。大中型水轮机组一般采用金属蜗壳，其主要作用是为流体的流动起到导向作用，将液体动能转换为静压能。导水机构中的活动导叶倾角可调，其主要作用是调节流量。（2）汽轮发电装置基本原理：汽轮发电机是由汽轮机作原动机拖动转子旋转，利用电磁感应原理把机械能转换成电能的发电设备。发电机转子绕组内通入直流电流后，便建立转子磁场，这个磁场称主磁场，它随着汽轮发电机转子旋转。其磁通自转子的一个磁极出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙，再进入转子另一个相邻磁极，从而构成主磁通回路。由于发电机转子随着汽轮机转动，发电机磁极旋转一周，主磁极的磁力线被装在定子铁芯内的 u、v、w 三相绕组 ( 导线 ) 依次切割，根据电磁感应定律，在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势。由干热岩型地热采集装置产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，做功后的废汽经凝汽器、循环水泵、凝结水泵、地热采集装置等送回锅炉循环使用。（3）温差发电材料。基本原理：热电偶是由 p 型和 n 型两种不同材料采用导线形式构成的。两种材料一端彼此连接，称为热电极，另一端称为冷电极。如果热电极温度比冷电极高得多，由于材质的活泼性不同，活动电子数量也不一样，会在两端产生电压，就可以给负载供电。
3优化措施分析
3.1大型浅层地埋管管群热平衡问题
从适用性角度出发，可以预计，未来浅层地源热泵技术中的土壤源热泵将是应用和研究的重点。考虑到土壤源热泵系统可被类比为“蓄热器”，其核心运行机理为冬取夏灌，通过维持全年土壤侧能量平衡实现系统稳定运行。因此对于土壤源热泵而言，土壤侧能否维持能量平衡直接关乎实际工程应用的可持续性 。在我国土壤源热泵的应用过程中，考虑到我国建筑的体量和规模，与国外大多数为小型别墅供冷/供热的使用场景不同，国内实际工程中动辄敷设数百根甚至上千根地埋管，而如此多浅层地埋管所构成管群系统的水力耦合特性及管间交互效应将极大影响系统使用性能。目前已有众多相关研究关注管群间交互影响大小对系统性能及土壤热平衡的影响，但大多仅从传统单管角度出发，在研究过程中固定管群内各管进口温度或功率。德国亥姆霍兹环境研究中心邵亥冰团队使用其自主开发的开源软件OpenGeoSys 耦合 Python 工具包 TESPy 实现了地下管群耦合岩土换热及地下管网系统水力特性动态耦合模拟，结果表明，大型浅层地埋管管群运行过程中可能出现负荷迁移现象，即管群中每根单管所承担的负荷并不一致，与地埋管所在位置的土壤温度实时相关且受管网系统水力分配控制。这为浅层地埋管管群换热特性分析提供了新思路，值得进一步深入研究。
3.2水热型供热技术
水热型供热技术的应用依托水热型地热资源，其推广可行性同地下水源热泵一样取决于当地自然资源禀赋。与地下水源热泵相比，主要区别在于水热型供热技术管井深度(2～3 km)远深于地下水源热泵埋管深度(200 m 以浅)，并且是直接将地下高温地热水抽至地表进行换热后再回灌至储层，其中不涉及使用热泵提升能量品位的过程。水热型地热资源主要集中于我国西北、华北等地，多出现于拥有沉积盆地或板块断裂等地质特征的区域。最初对水热型地热资源的探索是地热发电技术发展的需要，但在勘察过程中发现部分低温水热型地热资源(60～90 ℃)恰好与建筑供热所需的温区相契合，因此水热型地热资源在供热领域得到了广泛应用。对于水热型供热技术的相关研究主要集中于水热型地热资源分布和形成机理的勘察和分析，中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质科学院水文地质环境地质研究所及西北大学等开展了相关研究工作。
结语
地热资源的开采成本低，而且可以多重开采，效率高。但是地热能的开采仍处于初级阶段，尚未普及。近几年国家大力支持新能源发展趋势给新能源综合开采提供了机会，我们应该继续探索找更好的开采方式。
参考文献
[1] 王贵玲，张薇．中国地热资源潜力评价 [J]．地球学报，2017（7）：449–459.