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《长安大学》 2017年
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银川地区浅层地温能资源综合评价研究

杨超  
【摘要】:随着我国经济快速发展,能源形势变得日趋严峻,节能减排的呼声日益高涨,浅层地温能作为一种重要的新型清洁能源,它的开发利用对构建资源节约型和环境友好型社会具有非常重要的意义。浅层地温能资源不仅能够代替燃煤作为一种新型能源被开发利用,而且具有很好的社会效益,作为一种清洁型能源,浅层地温能的利用可减少大量的污染性气体排入大气。近年来随着工业化过多燃烧化石能源,大量排放出二氧化碳气体,引起全球温室效应不断加重,气温不断升高。在我国北方,冬季各大城市雾霾天气频繁出现,其中供暖锅炉燃煤污染是造成这一现象的重要诱因。银川市作为宁夏回族自治区的省会城市,近年来随着城市的不断发展,城市空气质量也在不断下降,根据相关部门监测分析,银川大气环境已经出现轻度、中度污染。本文在对银川市水文地质条件、地热地质条件及浅层地温能开发利用现状进行调查的基础上,开展银川市555km~2范围内浅层地温能适宜性分区研究,对研究区内浅层地温能热容量、浅层地温能换热功率、浅层地温能开发潜力、浅层地温能开发利用产生的经济效益和环境效益进行评价,在此基础上选择一处地埋管地源热泵工程,对热泵工程制冷与供暖时期换热孔周围的地温及热泵机组的能耗数据进行监测,分析换热孔周围地层温度变化情况,评价热泵运行能效系数、节煤量及减排效果,以实际热泵工程运行效果分析银川市浅层地温能开发利用前景。本文通过野外调查、资料整理、样品采集、野外试验、室内样品分析、实时数据监测等手段对银川市浅层地温能进行综合评价,主要研究成果如下:(1)通过在银川地区开展多处热响应试验测试及岩土体样品热物性测试研究工作,分析银川地区200m以浅地热地质条件及地温场特征。获取研究区内200m以浅地层平均初始温度约为13.77℃,地层平均热传导系数约为2.11 W/(m.k),地层每延米吸热量约为61.84W/m,每延米放热量约为25.22 W/m。(2)对研究区范围内浅层地温能开发利用适宜性进行研究。以所获取的最新水文地质条件及热物性参数等影响因素,进行地下水地源热泵及地埋管地源热泵适宜性分区,其中地下水地源热泵较适宜区面积为232.42km~2,不适宜区的面积约为210.70km~2;地埋管地源热泵适宜区面积约114.22km~2,较适宜区面积约为328.91km~2。(3)对研究区内浅层地温能定义深度地层地层热储量进行研究。采用热储法计算555km~2范围内200m以浅地层总热容量为2.46×10~(14)KJ/℃,与全国各省会城市相比,银川地区单位面积热容量接近省会城市平均单位面积热容量,资源储量较理想。综合考虑银川地区多层结构的含水层分布特点及地下水水质情况,避免地埋管换热孔施工过程中过深的钻孔引起地下水串层,对研究区100m深度内浅层地温能热容量进行研究,采用热储法进行分区计算,将研究区内100m深度热容量的分布情况可视化,可视化结果将研究区分为三个区,总热容量值为1.231×10~(14)KJ/℃。(4)在适宜性分区的基础上开展浅层地温能资源量分区评价,分析浅层地温能资源量空间分布,分别对地下水地源热泵与地埋管地源热泵两种开发利用方式的浅层地温能换热功率进行分析,银川地区地埋管地源热泵在资源量上优于地下水地源热泵。研究区内两种开发利用方式的综合换热功率分析结果介于地下水地源热泵换热功率与地埋管地源热泵换热功率之间。(5)根据浅层地温能资源量分析结果对研究区内浅层地温能可利用量进行研究,地下水地源热泵每年总可利用量为9.11×10~6GJ。地埋管地源热泵每年总可利用量为5.95×10~7GJ。研究区内地下水地源热泵及地埋管地源热泵综合开发利用年总可利用量为4.14×10~7GJ。地下水地源热泵每年总可利用资源量的经济效益为1.07亿元,地埋管地源热泵每年总可利用资源量的经济效益为6.95亿。综合可利用资源量每年经济效益可达4.84亿元。(6)以浅层地温能35%的利用率评价浅层地温资源可利用量的减排量,研究区内进行浅层地温能开发利用的环境效益显著。地下水地源热泵可减少二氧化碳排放量约为4.33×10~5t/a,节约环境治理费为0.5亿元/年。地埋管地源热泵可减少二氧化碳排放量为2.83×10~6t/a,节约环境治理费3.34亿元/年。地下水地源热泵和地埋管地源热泵综合开发浅层地温能可减少的二氧化碳排放量可达1.97×10~6t/a,节约环境治理费2.33亿元/年。(7)研究发现银川地区的地层特征使得地埋管换热过程中对周围地层温度的影响在垂向上存在一定差异,随着热泵工程的运行,在地下水渗流作用较强的层段地层温度变幅会明显高于其它层段,且换热孔对周围地层温度影响范围较远,影响范围达5m。其它深度地层的温度变化较平稳,温度影响范围约为3m。热泵工程在经过长期制冷和供暖后地层温度基本保持平衡,仅在部分层段出现轻微热堆积,热泵工程在运行十年后仍满足建筑制冷与供暖需求,该工程在制冷与供暖时具有明显的节能减排效果,因此可将地埋管地源热泵技术作为银川市浅层地温能开发利用的主要手段。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P314

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