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绿色环保的浅层地温能

2012-03-12 14:06:31

文/马志飞

 

2010年的上海世博会上,众多高新科技给游客留下了深刻的印象,其中最为有名的五大永久建筑之一的世博轴更是赚足了眼球,这个集商业、餐饮、娱乐、会展等服务于一体的大型商业、交通综合体也是一个高科技集合体。

 

为什么这样说呢?

 

不知你是否知道,世博轴安装的空调系统颇为与众不同,为了保证空调的正常运转,在世博轴桩基下面居然埋藏着700千米长的塑料管道,但它并不需要消耗大量的电能,那它是用什么能量供空调系统正常运转的呢?这么长的管道又是干嘛用的?

 

地热改变世界

 

2010425,在印度尼西亚巴厘岛召开了第四届世界地热大会。这届大会的主题是“地热,改变世界的能源”。大会发布的报告显示,现今世界地热利用已经达到了历史最大规模,2009年世界地热直接利用的能量比上一届地热大会公布的2004年的数据增长了60.2%。这样的成长形势十分喜人,因为绿色能源使用量的增加不仅意味着世界经济在持续发展,同时也表明相当一部分化石燃料,如煤炭、石油、天然气等被新能源取代了。报告还显示,中国对地热的利用量已跃居世界首位。

 

说地热能改变了世界并不夸张。我们的地球可以称得上是一个巨大的热库,其内部的总热能约为地球上全部煤炭储量的1.7亿倍,具有经济价值的潜在地热能大约相当于现在全球能源消耗总量的45万倍。人们自从发现了地热资源的巨大价值之后就在想方设法开发利用这些资源。

 

作为世界上地热资源最丰富的国家之一,近20年来,我国地热直接利用量始终走在世界前列,如果将我国利用的地热资源量换算成化石燃料的话,相当于每年减少了近4000万吨二氧化碳排放,这为我国可持续发展理念倡导下的低碳经济发挥了重要作用。

 

延伸的地热资源

 

虽然地热能非常丰富,但并不意味着只要你随意往地下打个孔,就能发现滚烫的热水。换句话说,地热资源并非均匀分布,地区差异很大。

 

我们知道,如果按照温度变化来划分,可以将地壳划分为3层:外热带、常温层和内热带。外热带又被称为太阳辐射热带,因为这一层主要通过接收太阳辐射热而增温的,可想而知它的影响深度不会很大,平均只有15米左右。这一层以下为温度常年不变层,我们称为常温层。常温层以下几十公里的地壳,被称为内热带。内热带的能量来源,当前人们认为主要是由地下放射性元素蜕变放热及地下物质受巨大挤压而释放的热能。内热带越往地壳深处温度越高,平均深度每增加100米,地温将会增高3℃,但各地区的增温率并不相同,有正常增温区,也有地热异常区。

 

除此之外,还有专门用来衡量地热能质量优劣的标志,如温度,就像用矿产品位来评估金属矿的贫富一样。因各地热田的温度有高有低,人们就因地制宜分别加以利用。热储温度较高的水(一般高于150℃),通常用于发电、进行工业干燥和工业热加工等;温度稍低的水,既可以用于供暖,也可以混合冷水之后用于沐浴和水产养殖、农业灌溉等。

 

但是,倘若取出的地下热水温度太低,则不能被人们直接利用了。想想看,如果其水温和自来水差不多,况且它们的水质还不一定能比得上自来水,谁还愿意千辛万苦从地下深部将其抽出来呢?因为这些地下热水已经失去了其原有的价值。可喜的是,随着现代科技的发展,出现了新的技术,可以利用起这种温度较低的地下热能,从而给能源家族中增添了一位新成员——浅层地温能。

 

浅层地温能,顾名思义,就是指一种埋藏在“浅层”的“地温能”,按照中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心认定的标准,这个深度通常是地表以下200米范围内,温度则是低于25℃。

 

现在的问题是,这种比我们人体体温还要低很多的能源,我们该如何利用?如果你知道冰箱的工作原理,也就不难理解浅层地温能是如何被利用的了。要利用起浅层地温能,离不开一种被称为“热泵”的东西。热泵是什么呢?大家都熟悉“水泵”吧,它是一种将水从低位抽到高位的机械,“热泵”和水泵类似,只不过它传递的是热能。我们居住的室内环境和地层土壤中的温度始终具有一定的温差,在冬季时,利用热泵可以把地下的热量“抽”出来,供给室内采暖;在夏季时,再把室内的热量“取”出来,排放到地下储存起来。无论是冬季还是夏季,水都是载体,被加热后以便用来储存热量。由于电流只能用来传热,而不能用来产生热,因此热泵只需消耗较小的能量便可以提供较多的能量,通常情况下热泵每消耗1000瓦的能量,用户可以得到4000瓦以上的热量或冷量。由此可见,浅层地温能在冬季和夏季都可以利用,而且由于这种资源绿色环保、储量大、可再生,非常值得大面积推广使用。

 

现在,你该明白世博轴桩基下埋藏的管道是做什么用的了吧?其实,它们就是热泵的一部分,专门用来进行热交换的,因其热源来自于土地,所以被称为地源热泵。上海世博会的世博轴中央空调系统正是采用这样的地源热泵,再加上“江水源热泵”, 巧妙地利用黄浦江水和土壤,既能做到从土壤中提取热量为室内供暖,又能做到将热量排入黄浦江为室内降温,真正实现了冬暖夏凉。

 

经过测算,世博轴采用浅层地温能制成的绿色中央空调系统每年可节约电能660万千瓦,相当于节约煤炭2640吨,节水26400吨,能减少5440吨二氧化碳的排放量。

 

开发前景

 

浅层地温能的开发利用,是近年来才逐渐被大家所关注的。虽然曾经有段时间出现过利用研究的热潮,但与当时的廉价化石能源相比,浅层地温能仍缺乏足够的竞争力,故而其开发利用长期停滞不前。

 

直到近年来,人们逐渐意识到全球变暖的危害,也就开始把注意力集中到绿色能源的研究当中。毫不夸张地说,除了赤道附近和高纬度地区之外,其他地区都可以大力开发浅层地温能,特别是四季分明的中纬度地区,我国大部分国土正好处在这样的地理环境中,潜在浅层地温能利用价值巨大。据专家测算,我国地下近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是目前国内发电装机容量4亿千瓦的3750倍,地下百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。

 

目前,处于浅层地温能研究领先地位的当属北京。据国际上近期刚刚开展的浅层地温能调查评价工作表明,北京平原区浅层地温能资源潜力中,静态储量为1.9×1015千焦,折合0.662亿吨标准煤,可供暖面积达9.59亿平方米。这里所说的标准煤是一种比较各类发热值不同的能源和计算能源总量时所采用的综合换算指标,我国规定每千克标准煤的热值为29.27兆焦(或7000千卡)。据统计,每燃烧1万吨标准煤,将向大气排放一氧化碳227吨、碳氢化合物4.5吨、氮氧化物36.2吨、二氧化硫167.2吨,粉尘100余吨。想象一下,如果北京市平原区地下蕴藏的浅层地温能被充分利用的话,那将会减少多少污染啊!

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