天津滨海新区浅层地温能开发模拟系统研究

摘要:该文以地质模型为基础,基于GIS等技术,研制开发的浅层地温能开发利用模拟软件,通过该软件,可以进行地温信息查询、地温能利用前景预测、施工管理等功能。提出相应的开发利用指导结果,以专业数据直观化(即大众化、可视化)输出,为开发利用方提供热能情况及循环利用建议等,是适用于相关政府管理部门实施管理和相关开发产业使用的工具。

关键词:滨海新区;浅层地温能;GIS;水源热泵;地源热泵

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6874-03

Research of Development of Shallow Geothermal Energy in TianJin Binhai New Area Simulation System

LIU Yu-chao1 , XING Zhen-xiang1, LI Jun2, TIAN Xin-min2

(1.Department of Electron and Information Engineering, TIUC, Tianjin 300384, China; 2.Tianjin Geothermal Exploration Development-Designing Institute, Tianjin 300250, China)

Abstract: This system is based on geological model, used GIS technology, and is developed in this paper. Via the software, user can check geothermal information, forecast the geothermal prospects, and manage the Constructions, propose corresponding guide of development and utilization, with professional data visualization output. Provided for the development and utilization of geothermal energy and recycling proposals. It is applicable to the relevant government departments and related management tools for develop industry.

Key words: Binhai new area; shallow geothermal energy; GIS; water source heat pumps; ground-source heat pump

目前世界各国的矿物质能源都在逐步减少甚至枯竭的时候,研究新能源开发尤其重要。地热空调是一种绿色环保的供暖技术。由于地源热能空调省去了锅炉房、冷却塔、消烟除尘等设备,运行费用比传统的中央热时可得到4千瓦的热能,能量输入与输出比达1比4;机组制冷时可得到5千瓦的制冷能量,能量输入与输出比达1比5。该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

地热是天津市的优势矿产资源,天津地热勘探起步早、利用规模大、管理秩序好、技术水平高,是我国地热资源勘查开发综合利用及管理工作领先的大城市。浅层地热能热泵兼具节能与环保两大特点,天津市滨海新区近地表低温地热资源丰富,又是国家政策大力扶持的开发区,随着可持续发展战略的实施,浅层地热能将得到很大程度的发展。本软件就是以滨海新区为对象,利用GIS技术,把工程施工设计与地形、地质图直观的结合起来,根据建筑物的制冷、供热需求建立地源热泵系统或水源热泵模拟系统。为该地区大规模开发浅层地热能提出建议。

1 系统设计

本系统以Microsoft Visual Studio 2005为开发环境,Microsoft Office Access为数据库存储地质数据及相关参数,在地形地质显示及读取过程中,利用ArcGIS、ArcEngine图形库开发的。在浅层地温能的地质勘查、地温场调查,建立浅层地温能地质构造、地温分布地质模型后,实现开发浅层地温能开发利用模拟平台,使之具有公众及相关管理部门可视化查询功能。

系统建立的目的是为了实现对滨海新区的数字化管理,采用GIS技术实现地热利用区图件管理和地热开发分析,为地热资源管理和决策提供准确、全面的信息技术支持,提高相关部门的管理工作效率。

1.1 功能模块及流程图

在软件的编写期间,作者遵循了通用的软件设计标准,将显示界面与分析计算模块、数据存储模块分开设计,大大增加了软件的可读性,为日后软件的升级和维护打下了一定的基础。图1是本系统的功能模块图。

在地质模型显示模块中,使用者可以选择四个不同深度的地层的地热信息,用以分别建模计算参数;在地温能开发模拟模块中,分为两个部分:地源热泵模拟系统和水源热泵模拟系统。根据需要编写了计算制冷工况、供热工况、管内阻力损失和计算总地热能程序块。在各个界面中输入相关参数后可以得到相应的计算分析结果。水源热泵模拟中我们关心是总的开采量有多少,即总地热能。

图2是系统流程图。

流程图(图2)给出了本程序的执行过程图解,表达了各个程序模块间的关系。

2 详细设计

本系统以Microsoft Visual Studio 2005为开发环境,Microsoft Office Access为数据库存储地质数据及相关参数,在地形地质显示及读取过程中,利用ArcGIS、ArcEngine图形库,开发的软件系统。

2.1 地形显示模块

利用ArcEngine的axMapControl模块显示滨海新区的ArcGIS地形图,在这里显示天津滨海新区地形图,不仅显示地形地貌,还有天津地质工作人员长期勘探得到的天津滨海新区的地质、水文、地温信息。并利用鹰眼程序显示图形导航,在地温能开发系统中,我们最关心的是相关地区的地温和水文信息,根据不同的需求,在下拉菜单中选择要显示的地形图,如在地温等值线中选择50米等温线图、100米等温线图、150米等温线图、200米等温线图,在水温水量图中选择Q1、Q2、Q3、Q4,实现图形显示后,使用者可以在axMapControl中选择要开发的区域,程序会自动给出相关地质的信息。如:地温信息、水量信息、水温信息,所选地形面积等。把这些信息导入到模拟系统中,就可以方便的了解该区域的浅层地温能的可利用前景与开发设计的大体规划。

2.2 地温能开发模拟系统

2.2.1 地源型系统

通常的热泵以大气环境为其吸热或放热的热源,大气温度的剧烈变化导致常规的热泵效率低下,不仅消耗大量高质能源,而且恶化了周围的环境温度,使得夏天更热,冬天更冷。与常规热泵不同,浅层地热能热泵以近地表层土壤为其吸收热量或排放热量的热源。在冬天,地热能热泵从土壤中吸取热量,供给热泵的蒸发器,经压缩机提高温度后,传到热泵的冷凝器,向房屋供热;在夏天,地热能热泵通过其蒸发器从房屋内吸收热量,经压缩机、冷凝器而排放到土壤中。因为土壤温度全年基本维持不变,热泵系统的操作可以设计得十分精确,使得工作稳定而高效。地温能开发模拟系统就是为地温工程管理和设计部门提供一种指导或参考。下面是程序中所用的计算方法。

竖直地埋管换热长度的工程设计计算公式为:

制冷工况:

管内阻力损失:

Pz=Py+Pj

Py=Pd×L

Pj=Pd×Lj

Pd=0.158×ρ0.75×μ0.25×di-1.25×V1.75

总地热能:

可钻孔对数n=有效面积/5000 ㎡(因为在天津滨海新区的地质条件下,综合地层地温可开采量与循环利用可靠性,适宜的钻井对间距为50m,单井占地面积为50×50=2500㎡。一个对井占地面积为2500×2=5000㎡)。单孔地热能与对井数相乘即可得到总地热能。

2.2.2水源型系统

水源型系统中,是通过地下水的恒温性来调节室内温度,水源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源,即在冬季,把水体或地层中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量“取”出来,释放到水体和地层中去。由于采用回灌技术,水源热泵只取水中的能量而不消耗水源,并且基本做到水体或地层蓄能的年平均能量平衡,不会造成任何污染。本模拟系统中,对水源型系统做了地下可利用的总地温能做了预测,在已知建筑所需的冷热负荷前提下,在模拟系统中输入单泵流量,出水温度、回水温度,对井数,即可计算总地热能。根据系统提供结果,我们可以知道需要打多少个对井能够满足建筑的冷热负荷。计算水源型系统的总地温能的公式为:

开发管理部门可以在所选区域内对水源型系统和地源型系统比较性能的差异,选择合适的资源开发类型,利用模拟系统给出的计算结果,进行详细的开发设计。

3 结束语

“天津滨海新区浅层地温能循环开发模拟系统”是针对于天津滨海新区特点开发的软件。利用该软件可以方便快捷地查询滨海新区地温特征,准确地反应地热空调负荷需求与工程设计的关系。适用于相关政府管理部门实施管理和相关开发产业使用。随着浅层地温利用技术的不断发展,模拟系统也将会随之逐步完善。

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