地热能热泵技术在高寒地区道路中的运用

  0 引言

 

  地热能取之不尽用之不竭，有着巨大利用价值。地热能热泵系统，是一种利用地下地热资源进行采暖、制冷、供热水、发电等的系统。它只需输入少量的电能，利用逆卡诺原理即可将能量由低温热源向高温热源转移。尤其是在冬季，可以吸取土壤中的热量，再将温度提高到一定程度后运送到建筑物或者室内用于取暖。将地热能用于道路桥梁以及机场码头的融雪化冰和防冻，是一项重大技术创新举措，该技术的应用推广对高寒地区冬季保证道路桥梁以及机场码头的畅通具有十分现实的经济和社会意义。

 

  1 地热能的原理与应用

 

  1.1 地热能简介

 

  地热能是地壳中因太阳能量粒子与地核放射元素粒子交互作用产生的能量。它是一种取之不尽用之不竭的可再生能源。地热能在温度上划分为高温地热和中、低温地热，在中国一般界定温度为150℃。高温地热能一般为深层地热能，中、低温地热能一般为浅层地热能。深层地热能主要用于发电，而低温地热能一般需要使用相关技术提取热量后再利用，提供采暖、生活热水等。

 

  深层地热能可遇不可求，开采难度大，而浅层地热能遍布地球的任何角落。从地面20m到地下400m，地球存在着一个14℃～18℃的恒温层，蕴藏着取之不尽的能源。浅层地热能已经广泛用于采暖、制冷、供热水、烘干、冷藏冷冻、种植养殖等领域，在不久的将来还会迅速用于发电。是融雪化冰和防冻技术中最经济、最可靠的手段。

 

  1.2 地热能的应用

 

  人类利用地热能的历史悠久。20世纪中叶后，人们才开始真正认识地热资源，并进行较大规模的开发利用。之后，地热能的利用便在许多领域中开展。地热发电便是地热利用最直接的方式。地热发电和火力发电所采用的基本原理是一样的，但它们的不同之处在于地热发电不需要消耗煤炭等燃料，而且也不需要庞大的机器设备。地热供暖因简单、可靠、经济性好，受到各国的重视。其中冰岛开发利用得最好，1928年冰岛建成了世界上首个地热供热系统，现今地热供热系统已发展得相当完善，其技术的使用已经非常成熟，应用领域也越来越广。

 

  但是，深层地热能往往深藏在地下数千米，勘探开采成本和风险极高。而浅层地热能开采简单、维护容易、成本低廉，不受气候环境的影响，在各种能源结构中最具有经济性和实用性，将成为新能源开发的主力军。

 

  近年来，在国家大力扶持下，我国利用浅层地热能供暖、供热水和制冷等技术发展迅速，尤其是在北方城市，比如在京津地区。

 

  2 利用地热能的关键技术——热泵

 

  目前地热能利用技术主要是地源热泵，其所具有的节能、环保特性，在国外已得到广泛的关注与重视。我国在该领域的发展也已经有十多年，但是总体技术水平仍然不及一些发达国家，地源热泵技术的发展空间仍然十分巨大。因此在中国优先发展高效热泵循环系统、地热换热等方面将会非常重要。另外，浅层地热能与其他能源互补循环、梯级利用的智慧能源系统，将把地热能开发推向一个新的阶段。

 

  2.1 热泵技术介绍

 

  地能热泵，也称作地源热泵。主要分为地表水、地下水和土壤源三种形式。在地下水和土壤相对稳定的情况下，地源热泵通过从地表水、地下水和土壤中换热，实现热量由低位热能区向高位热能区的转移。

 

  土壤源热泵工作原理如图1所示：

 

  冬季利用热泵机组从土壤热能中吸收热量，然后将其传输给地面的建筑物，给室内或者其他空间提供暖气；而到了夏季，热泵机组恰好做一个相反的循环过程从而实现空调制冷。

 

  地能热泵系统包括换热系统、主机系统、末端系统三部分。

 

  换热系统在高寒地区要因地制宜综合利用地热温泉、地下水和地下换热管路系统。

 

  地源热泵系统不仅可以利用地表下层的相对稳定温度，全年可以高效地运行取暖和制冷系统，运行成本极低；就地源热泵系统本身来说，它采用的设备少又非常耐用，其相关部件都是深埋在地下和水中，受天气或人为条件破坏的因素大大减少，稳定性高。地源热泵的制冷剂封闭在主机内不会向外界泄露，不会对臭氧层造成破坏，有利于保护环境。地源热泵能够因地制宜，利用形式多种多样，不拘泥于固定的模式。

 

  地能热泵技术对克服高寒地区霜冻或者下雪天气具有深远的现实意义。

 

  2.2 地能热泵技术在高寒地区道路桥梁中的运用

        2.2.1 高寒地区特点

 

  高寒地区一般都是气候寒冷，霜雪天气时间比较长，道路桥梁易受到霜雪的影响产生冻结，导致交通阻塞中断。气候较好的地方无霜期加起来也不超过一个月。这些地方的道路可能长时间处于冻结状态，而且低温早霜危害出现的次数相对比较频繁，一般3～4年出现一次。另外，在高寒地区存在着各种小气候，有时虽然在同一座山，山上和山下的气候就不一样，而就同一个水平面范围内，南边和北边的气温也会不同。

 

  高寒地区道路桥梁和机场码头冰雪冻结造成的交通事故和交通中断，对国民经济和国防建设以及人民生命财产危害极大。而开发利用我国大部分高寒地区蕴藏的中高温地热资源和随处都有的浅层地热资源，完全可以解除这一忧患。

 

  我国高温地热能资源主要分布在藏滇地热带及台湾地热带。藏滇地热带及台湾地热带是环球地热带——地中海—喜马拉雅地热带及西太平洋环岛地热带的组成部分。藏滇地热带位于印度、欧亚两大板块的边界。在该带内，目前已发现水热活动区600余处。这里的水热活动十分强烈，有大量热泉、沸泉和喷气孔等，水温多接近或超过当地沸点。台湾地热带位于太平洋板块与欧亚板块的边界。岛上地壳运动活跃，第四纪火山强烈，地震频繁，水热活动区有100余处，100℃以上的有近10处。

 

  我国低温地热能资源广泛分布于板块内部中国大陆地壳隆起区和地壳沉降区。在板内地壳隆起区，发育有不同地质时期形成的断裂带，已经多期活动，它们多数可成为地下水运动上升的良好通道。大气降水渗入地壳深部经深循环在正常地温梯度下加热，常常在相对低洼的地方（山前或山间盆地、滨海盆地，多在河谷底部），沿活动性断裂涌出地表形成温泉。根据地壳隆起区温泉的密集程度，目前可初步划分两个低温地热带，即东南沿海地热带及滇川地热带。

 

  东南沿海地热带位于太平洋板块与欧亚板块交接带以西中国大陆内侧，包括江西东部、湖南南部、福建、广东及海南等地。这里有现代火山作用，但自中生代以来，地壳运动活跃，深断裂发育。东南沿海地热带是我国低温温泉最为密集的地带，集中分布的温泉就有500余处。温泉水温大多介于40℃～80℃之间，也有少量80℃以上的。

 

  滇川地热带位于印度与欧亚两大板块交接带以东，纵贯滇川南北，沿南北构造带展布。这里，新构造运动强烈，地震频繁。分布在该带的温泉共有100余处，南段较密集，温度多在60℃以上，个别达90℃，北段较稀疏，水温多在60℃以下。

 

  其他地区，如山东半岛、辽东半岛、河北山地、太行山、秦岭、天山北麓、四川盆地的东南部、柴达木盆地东部等，温泉也较集中，水温大多在60℃以下，少数温泉区水温可达80℃～90℃。

 

  高寒地区往往也是地热能资源最丰富的地区。这些地热资源和浅层地热资源应用热泵技术综合利用，是解决高寒地区道路、桥梁、机场、码头冬季融冰化雪的正确途径。

 

  2.2.2 寒冷地区道路桥梁恒温装置系统设计

 

  （1）热负荷的确定

 

  寒冷季节道路桥梁和机场码头热负荷以保证道路路面和桥面畅通，24小时不结冰、不积雪为目标。热负荷要根据分时测定的室外土壤温度、路（桥）面温度、空气温度、湿度、风速、交通量进行计算分配，保持路面温度随时处于融雪温度以上。

 

  （2）换热系统设计

 

  道路桥梁融冰化雪所需的热量巨大。在有地热温泉资源的地方，应当首选地热温泉资源，其次利用地下水资源，最后才考虑用地埋管换热系统，同时与太阳能集热系统和大型冷回收冷冻系统集成设计。在有热电厂或其他废热资源的地方，充分利用热泵进行余热回收来采集热源。一般情况下，尽量使用多种能源互补综合利用，以获得最好的经济效益。

 

  热源量要在广泛调查勘探道路沿线各种热能资源的分布和可采量的基础上，进行全面技术、经济论证。

 

  （3）末端放热系统设计

 

  末端放热系统用来维持道路路面和桥梁桥面的融雪环境温度。末端放热系统布置在道路路面或桥面的结构层下面和道路两侧，也可以设置送风系统在道路的两侧直接吹刷路面。在越岭线的垭口路段，应同时配置这两种放热系统，确保积蓄热能及时融雪化冰。末端放热系统按不同的放热方式释放热负荷。

 

  为了既保障融冰化雪又最大限度地节约能源，换热系统与放热系统要通过主机进行智能动态控制。

 

  由于道路线长面广，不同的气候和地质条件使道路的恒温装置受到多方面因素的影响，需要先进行典型路段的试验。

 

  3 结束语

 

  高寒地区道路、桥梁、码头、机场的融雪化冰，是长期困扰这些地区交通发展的老大难问题，严重阻碍了这些地区的国民经济发展和国防建设。而高寒地区往往也是地热能资源最丰富的地区。这些地热资源和浅层地热资源以及其他多种可再生能源通过热泵技术循环利用，完全可以解决高寒地区道路、桥梁、机场、码头的融冰化雪，保持交通畅通，为这些地区的人民带来福音。