地热能利用技术

十三五期间我国地热能利用技术将迎来较大发展，在能源结构调整、应对气候变化、大气污染治理中发挥越来越大的作用。地热能用于工农业生产、人民生活的能源供给，是我国能源形式多样化战略的组成部分，此外还存在巨大的潜在市场机遇，如在“一带一路”战略中利用沿线国家和地区丰富的资源发展地热能产业，在规模巨大的中国建筑市场推广地源热泵供热等。根据国家能源发展“十三五”规划，我国非化石能源占比将从2015年的12%提高到2020年的15%，据测算2020年地热能占比将达到1.5%。《地热能利用技术》为能源、热能、暖通、制冷、环保、化工、农业等专业科研、开发人员提供了地热能利用技术的全面介绍，其中不乏应用性的工程实例。 

《地热能利用技术》内容包括地热能和地热资源概述，地热井施工和试验，地热系统的防腐防垢与选材，地热井设备与地热流体输送，地热采暖，地热发电，地热综合利用技术，地下水水源热泵空调系统，土壤耦合热泵空调系统以及地热开发利用的环境保护。《地热能利用技术》可供能源、地热科技人员参考，可用于高等院校的热能、暖通、制冷、环保、化工、农业、旅游、医疗等专业本科与研究生教学。

唐志伟，从事深层地热能和浅层地热能的利用研究十余年，完成多个工程项目的设计和建设，熟悉地热利用装备、建筑物空调系统的设计和安装，地热利用技术成果被北京市列为2008年奥运推介项目。从事有色金属生产工艺的节能改造，在铝型材氧化线表面处理工艺上，节能率达到30%以上。从事燃气锅炉烟气的全热回收研究，能够使锅炉热效率提高15%。从事一线授课，多次讲述工程热力学、传热学以及地热利用技术。

第1章  地热能与地热资源1

1.1概述1

1.1.1地热能与地热增温率1

1.1.2地热资源3

1.1.3地热区、地热田与热储4

1.1.4大地热流4

1.1.5地热异常5

1.1.6奇特的地热显示6

1.2地热资源与地热带9

1.2.1板块构造和地热带分布规律9

1.2.2地热带分类10

1.3岩石与地质年代14

1.3.1地层单位与地质时代14

1.3.2岩石的分类16

1.3.3岩石的热物理性质17

1.3.4岩石的渗透率和孔隙率17

1.4地热资源分类18

1.4.1对流型高温水热资源18

1.4.2中低温地热资源20

1.4.3地压、地热资源23

1.4.4干热岩型地热资源24

1.4.5熔岩(岩浆)地热资源26

1.5中国的地热资源26

1.5.1中国的温泉及其分布26

1.5.2中国高温地热资源的分布29

1.5.3中国中低温地热资源的分布30

1.5.4中国地压地热资源初探32

第2章  地热井施工和试验34

2.1概述34

2.2钻井设备35

2.2.1冲击钻机35

2.2.2回转钻机37

2.2.3其他类型的回转钻进38

2.2.4取芯钻具40

2.2.5定向钻井41

2.3钻进液41

2.3.1概述41

2.3.2钻进泥浆的主要性能和各种岩层对泥浆的要求42

2.3.3聚合物流体44

2.3.4空气基流体44

2.3.5复杂岩层中钻进用泥浆的处理45

2.3.6散低固相泥浆46

2.3.7高温地热钻进泥浆46

2.4地热井的设计47

2.5地热井钻进48

2.5.1中低温地热井的钻进49

2.5.2高温地热井钻进49

2.5.3固井50

2.6地热井钻进事故的预防与处理50

2.7防喷器52

2.8回灌井54

2.9地热测井55

2.10地热井试验56

2.10.1钻井数据58

2.10.2钻机试验58

2.10.3抽水降压试验58

2.10.4长期生产和干扰试验60

2.10.5注水试验61

2.10.6恢复试验61

2.10.7试验计划与其他一些问题61

2.11数据采集与解释62

2.11.1井孔压力的测量62

2.11.2井孔温度的测量63

2.11.3井孔流量的测量63

2.11.4测量中的一些经验65

2.11.5数据解释65

2.12热储工程理论65

2.13热储模型67

2.14热储模型与数值模拟68

2.15中低温地热水的回灌70

2.16地热资源评价71

2.16.1概说71

2.16.2地热资源按研究程度分类71

2.16.3地热资源的评价74

第3章  地热系统的防腐防垢与选材77

3.1概述77

3.2地热腐蚀的类型79

3.2.1按金属腐蚀原理分类79

3.2.2按腐蚀破坏形式分类79

3.3金属均匀腐蚀速度表示法80

3.3.1金属均匀腐蚀速度的质量指标80

3.3.2金属腐蚀速度的深度指标80

3.3.3均匀腐蚀的分级标准81

3.4金属电化学腐蚀的机理81

3.4.1电极电位81

3.4.2腐蚀原电池82

3.5常见的局部腐蚀及其控制办法83

3.5.1孔蚀83

3.5.2缝隙腐蚀84

3.5.3应力腐蚀破裂84

3.5.4晶间腐蚀85

3.5.5电偶腐蚀85

3.5.6脱成分腐蚀86

3.5.7氢脆86

3.5.8磨蚀86

3.6地热流体中的主要腐蚀成分86

3.7材料在地热水中的腐蚀行为88

3.8地热设备的选材92

3.9地热防腐措施93

3.10防腐蚀工程的设计原则和设计依据96

3.11地热系统的结垢与阻垢98

3.11.1阻垢的重要性98

3.11.2地热水垢的成垢机理99

3.12地热水腐蚀与结垢趋势的判断方法100

3.12.1概述100

3.12.2碳酸钙结垢趋势判断101

3.12.3硫酸钙结垢趋势判断105

3.12.4硅酸盐结垢趋势判断106

3.12.5用拉申指数判断腐蚀趋势106

3.13地热除垢与防垢方法107

3.13.1地热除垢方法107

3.13.2地热防垢方法107

3.14防腐蚀工程设计方案举例111

3.14.1影响地热水腐蚀主要因素的论证112

3.14.2常用金属材料在地热水中腐蚀行为的论证113

3.14.3地热水的腐蚀规律115

3.14.4在地热水中使用防腐涂料的试验研究116

3.14.5地热采暖系统防腐蚀工程方案118

第4章  地热井设备与地热流体输送122

4.1概述122

4.2长轴深井泵123

4.2.1基本构造123

4.2.2运行与安装的几个问题123

4.2.3长轴深井泵设计计算示例127

4.2.4泵的运行和维护131

4.3潜水电泵132

4.3.1基本结构与工作原理132

4.3.2高温潜水电泵136

4.3.3潜水电泵的选型及注意事项137

4.4地热井泵变频调速140

4.4.1节流法140

4.4.2用储水箱使井泵间隙运行140

4.4.3井口回流法141

4.4.4改变井泵的转速141

4.5地热井口装置142

4.5.1地热井口装置的一般要求142

4.5.2多功能井口装置142

4.5.3井口氮气保护与除氧144

4.6地热水除砂146

4.7汽水分离装置147

4.7.1分离器壁厚计算147

4.7.2分离器封头壁厚计算148

4.7.3井口系统主管径的确定148

4.8地热水除铁148

4.8.1概述148

4.8.2地热水除铁原理149

4.8.3曝气过程与曝气装置151

4.8.4天然锰砂除铁滤罐154

4.8.5地热水除铁系统156

4.9地热流体输送157

4.10管道材料158

4.10.1碳钢159

4.10.2球墨铸铁160

4.10.3玻璃纤维增强塑料（FRP）160

4.10.4聚氯乙烯（PVC）与增强聚氯乙烯（UPVC）163

4.10.5氯化聚氯乙烯（CPVC）164

4.10.6ABS166

4.10.7聚乙烯（PE）与交联聚乙烯（PEX）167

4.10.8铝塑复合管（PEX-Al）168

4.10.9聚丙烯（PP）与聚丙烯（共聚）（PP-C）169

4.10.10聚丁烯（PB）170

4.11管道保温172

4.11.1对保温材料的要求172

4.11.2常用保温材料172

4.11.3保护层174

4.11.4预制保温管175

4.11.5非保温管175

4.12管道保温热力计算177

4.12.1计算原则177

4.12.2保温层厚度计算178

4.13管网布置与敷设181

4.13.1管网布置原则181

4.13.2敷设方式181

4.13.3无补偿直埋敷设的设计与实例182

第5章  地热供暖187

5.1概述187

5.2供暖热耗量的估算187

5.2.1供暖的气象参数188

5.2.2建筑物的供暖热耗指标188

5.2.3供暖度日值和累积热负荷190

5.3地热供暖系统的调峰191

5.4地热间接供暖系统193

5.5降低地热排水温度和地热利用率196

5.5.1地热供暖利用率196

5.5.2降低地热排水温度的制约因素196

5.6地热直接供暖系统198

5.6.1地热直接供援系统的组成与特点198

5.6.2地热直接供暖系统的供热调节198

5.6.3调节地热水量的方法199

5.6.4地热直接供暖变频调速系统供热调节计算200

5.6.5地热直接供暖变频调速系统的混水器201

5.6.6地热直接供暖变频调速系统202

5.6.7地热直接供暖系统示例204

5.6.8地热供暖散热器205

5.7低温地热辐射采暖207

5.7.1概述207

5.7.2地板辐射供暖的特点207

5.7.3地板辐射供暖系统的组成208

5.7.4地板辐射供暖的设计计算211

5.7.5地板辐射供暖的施工与调试218

5.7.6经济性218

5.8地热热风供暖218

5.8.1热风供暖的系统与特点218

5.8.2暖风机翅片管束的传热计算220

5.8.3翅片管换热器的阻力计算221

5.8.4地热热风供暖的电力消耗223

5.8.5地热热风供暖系统的优化分析223

5.9燃煤锅炉供暖改为地热供暖224

5.9.1低温与多余供热量对非标准条件下供暖的影响224

5.9.2热水系统的改造225

5.9.3热风系统的改造225

5.10地热生活热水供应226

5.10.1生活热水负荷的计算依据226

5.10.2生活热水负荷的计算方法228

5.10.3生活热水供应系统229

5.11井下换热器供热系统230

5.11.1井下换热器的供热原理230

5.11.2井下换热器的结构与设计230

5.11.3井内对流232

5.11.4井下换热器产热量234

第6章  地热发电236

6.1地热发电的方式236

6.1.1地热蒸汽发电236

6.1.2地下热水发电237

6.1.3全流地热发电239

6.1.4干热岩发电239

6.2世界典型地热电站介绍240

6.2.1西藏羊八井地热电站240

6.2.2美国盖瑟斯地热电站241

6.3地热能利用的制约因素和环境保护241

6.3.1常见的制约因素241

6.3.2对环境的影响243

第7章  地热综合利用技术244

7.1地热农业利用技术244

7.1.1地热温室大棚244

7.1.2地热养殖251

7.1.3地热孵化254

7.1.4地热干燥258

7.2地热水的深加工处理264

7.2.1地热水利用反渗透技术生产净水266

7.2.2地热GQ-JS系列直饮水设备268

第8章  水源热泵空调系统270

8.1水源热泵机组270

8.1.1水源热泵机组的分类270

8.1.2水/空气热泵机组271

8.1.3水/水热泵机组272

8.1.4水源热泵机组的运行特性273

8.2地下水源热泵空调系统274

8.2.1地下水源热泵空调系统的组成与工作原理274

8.2.2地下水源热泵空调系统的设计要点275

8.2.3地下水回灌技术278

8.3地表水源热泵空调系统280

8.3.1地表水换热系统的形式280

8.3.2地表水的特点对热泵空调系统的影响281

8.3.3地表水换热系统勘查282

8.3.4松散捆卷盘管的设计要点282

8.4海水源热泵空调系统284

8.4.1大型海水源热泵站284

8.4.2海水源热泵空调系统的特殊技术措施285

8.5污水源热泵空调系统286

8.5.1污水的特殊性及对污水源热泵的影响286

8.5.2污水源热泵站286

8.5.3城市原生污水源热泵设计中应注意的问题287

8.5.4污水源热泵形式288

8.5.5防堵塞与防腐蚀的技术措施289

8.6工程案例290

8.6.1冷热负荷290

8.6.2设计依据290

8.6.3方案设计290

8.6.4经济环境效益分析292

8.6.5流程图293

第9章  土壤耦合热泵空调系统295

9.1土壤耦合热泵空调系统简介295

9.1.1土壤耦合热泵空调系统的组成295

9.1.2土壤耦合热泵空调系统的分类296

9.2现场调查与工程勘查297

9.2.1现场勘查297

9.2.2水文地质调查298

9.2.3设置测试孔与监测孔298

9.2.4土壤热响应实验299

9.3地埋管换热器的管材与传热介质300

9.3.1地埋管管材300

9.3.2管材规格和压力级别301

9.3.3传热介质301

9.4地埋管换热器的布置形式303

9.4.1埋管方式303

9.4.2连接方式305

9.4.3水平连接集管306

9.5地埋管换热器的传热计算306

9.5.1地埋管换热器传热分析306

9.5.2竖直地埋管换热器的长度307

9.6地埋管换热器系统水力计算310

9.6.1压力损失计算310

9.6.2循环泵的选择312

9.7地埋管换热器的安装312

9.7.1施工前的准备312

9.7.2水平式地埋管换热器312

9.7.3竖直式U形埋管换热器313

9.7.4地埋管换热系统的检验与水压试验317

9.8直接膨胀式土壤源热泵系统318

9.9案例分析319

9.9.1冷热源需求319

9.9.2设计依据320

9.9.3方案设计320

9.9.4经济环境效益分析322

9.9.5绘图323

第10章  地热开发利用的环境保护325

10.1概述325

10.2地热流体开发利用对环境的影响326

10.2.1热污染326

10.2.2空气污染326

10.2.3水污染327

10.2.4土壤污染328

10.2.5放射性污染328

10.2.6地面沉降和诱发地震328

10.2.7噪声污染328

10.3地热水按不同用途的水质评价329

10.3.1灌溉329

10.3.2养鱼（或其他水产品）330

10.3.3直接排放331

10.4我国的水环境质量标准332

10.4.1地面水环境质量标准332

10.4.2污水综合排放标准333

10.5地热排水的处理及试验研究335

10.5.1水生植物吸收法335

10.5.2多孔骨料吸收法除氟和其他有害气体335

10.5.3湿地生物系统综合治理336

10.5.4简单物理化学沉淀法除盐336

10.5.5工程实例336

参考文献339

 

本书共分10章。第1章介绍地热能与地热资源，有传统的深层地热，即温度超过25℃的地热能，还有新的浅层地热能，即地表面以下200m范围内的地热能，温度大都处于15℃左右。第2章介绍地热井施工和试验，以深层地热为主。第3章介绍地热系统的防腐防垢与选材。第4章介绍地热井设备与地热流体输送，以深层地热为主。第5章介绍地热供暖，以深层地热为主，结合工程案例。第6章介绍地热发电，以深层地热为主，结合有机朗肯循环。第7章介绍地热综合利用技术，以深层地热为主，结合工程案例。第8章介绍水源热泵空调系统，以浅层地热能为主，结合工程案例。第9章介绍土壤耦合热泵空调系统，以浅层地热能为主，结合工程案例。第10章介绍地热开发利用的环境保护，以保持地热资源利用的可持续性。本书不仅阐述了深层地热的利用，即传统地热利用，还增加了浅层地热能的利用，即结合热泵技术，利用浅层地热能热泵空调采暖系统，不但制热，还能制冷。本书既能让地热工作者对地热开发利用的有关知识有一个全面的认知，又能具体地了解各项技术的原理、构造、系统、设计计算方法、必要的技术数据以及建设要点。本书反映了几十年来我国发展地热取得的经验与成果，同时介绍了国外地热发展现状和先进技术。这样的内容安排，目的是使本书能对提高我国地热开发利用的技术水平真正起到一些促进作用。本书不仅对广大地热工作者有一定的实用价值，对高等院校的热能、暖通、制冷、环保、化工、农业、旅游、医疗等许多专业的学生与研究生，也是一本有用的参考书。本书遵循全国普通高等学校教学工作会议精神，立足培养21世纪的专业人才，适应科技进步以及改革发展和经济建设的需要，按照“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、有创新意识”的人才培养要求，总结编写者教学实践经验、科研成果及工程实践经验编写而成，在保证学科系统性与完整性的基础上，力求科学性、先进性、启发性及实用性。本书由唐志伟负责第1章、第2章～第5章的编写，王景甫负责第6章、第8章、第10章的编写，张宏宇负责第8章、第9章的编写。全书由唐志伟统稿。本书的编写参考了相关文献，在此向作者一并致谢。限于编者学术水平及教学经验，书中难免有疏漏和不妥之处，竭诚希望读者及兄弟院校使用本书的师生批评指正编著者2017年9月