0 引言

 

  地?zé)崮?/a>取之不盡用之不竭，有著巨大利用價值。地?zé)崮?/a>熱泵系統(tǒng)，是一種利用地下地?zé)豳Y源進行采暖、制冷、供熱水、發(fā)電等的系統(tǒng)。它只需輸入少量的電能，利用逆卡諾原理即可將能量由低溫熱源向高溫?zé)嵩?/a>轉(zhuǎn)移。尤其是在冬季，可以吸取土壤中的熱量，再將溫度提高到一定程度后運送到建筑物或者室內(nèi)用于取暖。將地熱能用于道路橋梁以及機場碼頭的融雪化冰和防凍，是一項重大技術(shù)創(chuàng)新舉措，該技術(shù)的應(yīng)用推廣對高寒地區(qū)冬季保證道路橋梁以及機場碼頭的暢通具有十分現(xiàn)實的經(jīng)濟和社會意義。

 

  1 地熱能的原理與應(yīng)用

 

  1.1 地?zé)?/a>能簡介

  地?zé)?/a>能是地殼中因太陽能量粒子與地核放射元素粒子交互作用產(chǎn)生的能量。它是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。地?zé)崮?/a>在溫度上劃分為高溫地?zé)?/a>和中、低溫地?zé)?/a>，在中國一般界定溫度為150℃。高溫地?zé)崮?/a>一般為深層地?zé)崮?/a>，中、低溫地?zé)崮?/a>一般為淺層地?zé)崮?/a>。深層地?zé)崮?/a>主要用于發(fā)電，而低溫地熱能一般需要使用相關(guān)技術(shù)提取熱量后再利用，提供采暖、生活熱水等。

 

  深層地?zé)?/a>能可遇不可求，開采難度大，而淺層地?zé)崮?/a>遍布地球的任何角落。從地面20m到地下400m，地球存在著一個14℃～18℃的恒溫層，蘊藏著取之不盡的能源。淺層地?zé)?/a>能已經(jīng)廣泛用于采暖、制冷、供熱水、烘干、冷藏冷凍、種植養(yǎng)殖等領(lǐng)域，在不久的將來還會迅速用于發(fā)電。是融雪化冰和防凍技術(shù)中最經(jīng)濟、最可靠的手段。

 

  1.2 地熱能的應(yīng)用

 

  人類利用地?zé)?/a>能的歷史悠久。20世紀(jì)中葉后，人們才開始真正認(rèn)識地?zé)豳Y源，并進行較大規(guī)模的開發(fā)利用。之后，地?zé)崮艿睦帽阍谠S多領(lǐng)域中開展。地?zé)岚l(fā)電便是地?zé)崂?/a>最直接的方式。地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電所采用的基本原理是一樣的，但它們的不同之處在于地?zé)岚l(fā)電不需要消耗煤炭等燃料，而且也不需要龐大的機器設(shè)備。地?zé)峁┡?/a>因簡單、可靠、經(jīng)濟性好，受到各國的重視。其中冰島開發(fā)利用得最好，1928年冰島建成了世界上首個地?zé)?a href="http://yaoqilife.top/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng)，現(xiàn)今地?zé)?a href="http://yaoqilife.top/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng)已發(fā)展得相當(dāng)完善，其技術(shù)的使用已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。

 

  但是，深層地?zé)?/a>能往往深藏在地下數(shù)千米，勘探開采成本和風(fēng)險極高。而淺層地?zé)?/a>能開采簡單、維護容易、成本低廉，不受氣候環(huán)境的影響，在各種能源結(jié)構(gòu)中最具有經(jīng)濟性和實用性，將成為新能源開發(fā)的主力軍。

 

  近年來，在國家大力扶持下，我國利用淺層地?zé)崮芄┡?/a>、供熱水和制冷等技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在北方城市，比如在京津地區(qū)。

 

  2 利用地?zé)崮艿年P(guān)鍵技術(shù)——熱泵

 

  目前地?zé)崮芾眉夹g(shù)主要是地源熱泵，其所具有的節(jié)能、環(huán)保特性，在國外已得到廣泛的關(guān)注與重視。我國在該領(lǐng)域的發(fā)展也已經(jīng)有十多年，但是總體技術(shù)水平仍然不及一些發(fā)達(dá)國家，地源熱泵技術(shù)的發(fā)展空間仍然十分巨大。因此在中國優(yōu)先發(fā)展高效熱泵循環(huán)系統(tǒng)、地?zé)釗Q熱等方面將會非常重要。另外，淺層地?zé)崮芘c其他能源互補循環(huán)、梯級利用的智慧能源系統(tǒng)，將把地?zé)崮荛_發(fā)推向一個新的階段。

 

  2.1 熱泵技術(shù)介紹

 

  地能熱泵，也稱作地源熱泵。主要分為地表水、地下水和土壤源三種形式。在地下水和土壤相對穩(wěn)定的情況下，地源熱泵通過從地表水、地下水和土壤中換熱，實現(xiàn)熱量由低位熱能區(qū)向高位熱能區(qū)的轉(zhuǎn)移。

 

  土壤源熱泵工作原理如圖1所示：

 

  冬季利用熱泵機組從土壤熱能中吸收熱量，然后將其傳輸給地面的建筑物，給室內(nèi)或者其他空間提供暖氣；而到了夏季，熱泵機組恰好做一個相反的循環(huán)過程從而實現(xiàn)空調(diào)制冷。

 

  地能熱泵系統(tǒng)包括換熱系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、末端系統(tǒng)三部分。

 

  換熱系統(tǒng)在高寒地區(qū)要因地制宜綜合利用地?zé)釡厝?/a>、地下水和地下?lián)Q熱管路系統(tǒng)。

 

  地源熱泵系統(tǒng)不僅可以利用地表下層的相對穩(wěn)定溫度，全年可以高效地運行取暖和制冷系統(tǒng)，運行成本極低；就地源熱泵系統(tǒng)本身來說，它采用的設(shè)備少又非常耐用，其相關(guān)部件都是深埋在地下和水中，受天氣或人為條件破壞的因素大大減少，穩(wěn)定性高。地源熱泵的制冷劑封閉在主機內(nèi)不會向外界泄露，不會對臭氧層造成破壞，有利于保護環(huán)境。地源熱泵能夠因地制宜，利用形式多種多樣，不拘泥于固定的模式。

 

  地能熱泵技術(shù)對克服高寒地區(qū)霜凍或者下雪天氣具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

 

  2.2 地能熱泵技術(shù)在高寒地區(qū)道路橋梁中的運用

        2.2.1 高寒地區(qū)特點

 

  高寒地區(qū)一般都是氣候寒冷，霜雪天氣時間比較長，道路橋梁易受到霜雪的影響產(chǎn)生凍結(jié)，導(dǎo)致交通阻塞中斷。氣候較好的地方無霜期加起來也不超過一個月。這些地方的道路可能長時間處于凍結(jié)狀態(tài)，而且低溫早霜危害出現(xiàn)的次數(shù)相對比較頻繁，一般3～4年出現(xiàn)一次。另外，在高寒地區(qū)存在著各種小氣候，有時雖然在同一座山，山上和山下的氣候就不一樣，而就同一個水平面范圍內(nèi)，南邊和北邊的氣溫也會不同。

 

  高寒地區(qū)道路橋梁和機場碼頭冰雪凍結(jié)造成的交通事故和交通中斷，對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)以及人民生命財產(chǎn)危害極大。而開發(fā)利用我國大部分高寒地區(qū)蘊藏的中高溫地?zé)豳Y源和隨處都有的淺層地?zé)豳Y源，完全可以解除這一憂患。

 

  我國高溫地?zé)崮?/a>資源主要分布在藏滇地?zé)釒?/a>及臺灣地?zé)釒?/a>。藏滇地?zé)釒?/a>及臺灣地?zé)釒?/a>是環(huán)球地?zé)釒А刂泻！柴R拉雅地?zé)釒Ъ拔魈窖蟓h(huán)島地?zé)釒У慕M成部分。藏滇地?zé)釒挥谟《?、歐亞兩大板塊的邊界。在該帶內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)水熱活動區(qū)600余處。這里的水熱活動十分強烈，有大量熱泉、沸泉和噴氣孔等，水溫多接近或超過當(dāng)?shù)胤悬c。臺灣地?zé)釒挥谔窖蟀鍓K與歐亞板塊的邊界。島上地殼運動活躍，第四紀(jì)火山強烈，地震頻繁，水熱活動區(qū)有100余處，100℃以上的有近10處。

 

  我國低溫地?zé)崮苜Y源廣泛分布于板塊內(nèi)部中國大陸地殼隆起區(qū)和地殼沉降區(qū)。在板內(nèi)地殼隆起區(qū)，發(fā)育有不同地質(zhì)時期形成的斷裂帶，已經(jīng)多期活動，它們多數(shù)可成為地下水運動上升的良好通道。大氣降水滲入地殼深部經(jīng)深循環(huán)在正常地溫梯度下加熱，常常在相對低洼的地方（山前或山間盆地、濱海盆地，多在河谷底部），沿活動性斷裂涌出地表形成溫泉。根據(jù)地殼隆起區(qū)溫泉的密集程度，目前可初步劃分兩個低溫地?zé)釒?，即東南沿海地?zé)釒Ъ暗岽ǖ責(zé)釒А?/div>