第九章地热能
地热能知识详解
地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。
它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。
地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。
在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。
通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池。
房间、温室和发电站。
这种热能的储量相当大。
据估量，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PWh。
不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。
实际上，假如不是地球本身把地热能集中在某些地区（一般来说是那些与地壳构造板块的界面有关的地区），用目前的技术水平是无法将地热能作为一种热源和发电能源来使用的。
严格地说，地热能不是一种“可再生的”资源，而是一种像石油一样，可开采的能源，最终的可回采量将依靠于所采纳的技术。
将水（传热介质）重新注回到含水层中可以提高再生的性能，由于这使含水层不枯竭。
然而在这个问题上没有明确的结论，由于有相当一部分地热点可采纳某种方式进行开发，让提取的热量等于自然不断补充的热量。
实事求是地讲，任何状况下，即使从技术上来说地热能不是可再生能源，但全球地热资源潜量非常巨大，因此问题不在于资源规模的大小，而在于是否有适合的技术将这些资源经济开发出来。
地热能是指贮存在地球内部的热能。
其储量比目前人们所利用的总量多许多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带、该区域也是火山和地震多发区。
假如热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。
高压的过热水或蒸汽的用途最大，但它们主要存在于干热岩层中，可以通过钻井将它们引出。
地热能在世界许多地区应用相当广泛。
老的技术现在依旧富有生命力，新技术业已成熟，并且在不断地完善。
在能源的开发和技术转让方面，将来的进展潜力相当大。
地热能是天生就储存在地下的，不受天气状况的影响，既可作为基本负荷能使用，也可依据需要供应使用。
地热能的利用自古时候起人们就已将低温地热资源用于浴池和空间供热，近来还应用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热。
地热能
我国新建建筑全面执行节能标准，建筑能耗要减少50%。
55%空调、 采暖
我国建筑能耗
45%其 他建筑 能耗 33%夏季 空调
一、意义和必要性
建设部关于贯彻《国务院关于加强节能工作的决 定》的实施意见（建科[2006]231号）“到“十一五” 期末，中等城市完成既有建筑节能改造的面积要占既 有建筑总面积的15%，小城市要完成10%；太阳能、浅 层地能等可再生能源应用面积占新建建筑面积比例达 25%以上”
• 地热的利用根据其温度高低可做各种用途。
• 传统式蒸气发电所需地热流体温度在150℃ 以上。如果使用双循环热交换式发电所需地 热流体温度可显著降低至100℃左右。又暖 房及温室用途所需温度约80℃，温水游泳池 则约30℃ 。
地热能开发与应用
地球核心部分温度极高，使地表岩石受热 变成热岩，遇地下水则变热蒸汽及热水。高温 蒸汽或热水自然从喷泉喷出或经由人工钻取使 其从地热井喷出时，即为可供利用的地热。
• 双循环式：由地热井产生的热流体，经 过热交换器加热流体，使其气化推动涡 轮机再产生电力，而工作流体（如：丁 烷、氟氯烷等）则继续循环使用。 • 总流式：地热井产生的热流体，包括蒸 汽及热水的两相混合体，同时导入特殊 设计的涡轮机，由动能及压力能带动传 动轴能连接发电机而产生电力。
地热发电的结构是怎样的？
地热除了可以发电应用外，还可以直接利 用其热能，供工矿业生产、农渔畜牧养殖、农 作物加工以及住宅取暖、观光及医疗等用途。
地热能之发展背景
利用温泉、喷泉等地热来保暖、加热、沐浴、 炊食似乎与人类发展史一样的久远。 但是真正重视地热能源，还是在民国六十几 年能源危机发生以后。能源危机发生后，人类积 极寻求新能源，发现除了太阳能、风能、海洋能 之外，地热也是一种极具发展潜力的能源。 地热蕴藏甚丰、开发成本也算低廉，使用时 比火力及核能发电安全及较少污染。
地热能
地热能地热能〔Geothermal Energy〕是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。
地球内部的温度高达7000℃，而在80至100公英里的深度处，温度会降至650至1200℃。
透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。
高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。
运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
地热能是可再生资源。
简介人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。
但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。
地热能大部分是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。
还有一小部分能量来至太阳，大约占总的地热能的5%，表面地热能大部分来至太阳。
地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。
其储量比人们所利用能量的总量多很多，大部分集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。
它不但是无污染的清洁能源，而且如果热量提取速度不超过补充的速度，那么热能而且是可再生的。
怎样利用这种巨大的潜在能源呢？意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子于1904年在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。
地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。
在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。
1990年安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。
地热能是一种新的洁净能源，[1]在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。
地热能
地源热泵工作原理
地源热泵系统主要由三部分组成：室外地源换热系统、 水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
室外地源换热系统分为：土壤埋盘管、水循环 （地下水和地表水）。 根据冷凝器出水温度的不同，地源热泵又可分为 常温型（低于55℃）和高温型（高于70℃）两种。
地 源 热 泵 的 工 作 原 理 比 较 简 单
地源热泵中一个重点材料，就是前面提到的
热交换器
一般来讲，一旦换热器埋入地下后，基本不可能进行 维修或更换，这就要求保证埋入地下管材化学性质稳 定且耐腐蚀
常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足， 且埋在地下的管道数量较多，所以首先要考虑管材的价格
土壤源热泵系统中一般采用塑料管材 目前最常用的 聚乙烯（PE)~聚丁烯(PB)管材 PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致 泄漏，不推荐用于地下埋管系统
我国地热能的利用情况：
全国目前经正式勘察并经国土资源储 量行政主管部门审批的地热田为103 处，经初步评价的地热田214个。据 估算目前全国每年可开发利用的地热 水总量为68.45亿立方米，折合每年 3284.8万吨标准煤的发热量。从我国 地热水方式看，供热采暖占18.0%， 医疗洗浴与娱乐健身占65.2%，种植 与养殖占9.1%，其他占7.7%
地热能
-- 来自地球深处的可再生资源
说起地热能，很多同学会联想到岩浆和火山爆发。的确， 这种能量是由地壳抽取的天然热能，来自地球内部的熔岩， 并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球 内部的温度高达7000℃，而在80至100公英里的深度处， 温度会降至650至1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至 离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的 地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水 最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的 方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量
地热能
► 5.地点特殊：可利用的地热水库仅能存在于
某一地区。可开采的地点很可能位于野生保 护区内比如美国的黄石国家公园，或者位于 远离消费人群的偏远地区。 ► 6.能源枯竭：当对地热水库中的蒸汽或热水 的开采速度高于其自身的补充速度，或者高 于人工回灌的速度时，该处的地热能可能被 损耗殆尽。地热能源一旦枯竭，地热水库的 能源可能需要几个世纪的时间才能恢复
地热能
什么是地热能
► 地热能〔Geothermal
Energy〕是由地壳抽取 的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩， 并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震 的能量。地球内部的温度高达7000℃，而在 80至100公英里的深度处，温度会降至650至 1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地 面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接 近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水 加热，这些加热了的水最终会渗出地面。
► 2地热能发电vs风力发电与太阳能发电
地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳 定基载电量。而风能与太阳能很大程度上受 到天气影响，供能不稳定。
► 3.地热能发电vs水电
地热发电厂占地面积小，平均占地面积仅是 400平方米。 远小于水电的占地面积。
► 4.地热能发电vs核能发电
地热能建设时间、成本和大众疑虑又远低于 核能
► 3.地热能储存形式多样。分为蒸汽型，热水
型，地压型，干热岩型与岩浆型
地热能的成本
► 1.初始成本
热发电有着非常高昂的初始成本，在开始钻井前， 勘探等前期工序将占到地热项目开发成本的11%， 钻井约占30%。而且每个地热项目至少要钻两个井。 所有这些和最终发电设施将在盈利前产生大笔投资 费用。而且，并不是所有的地热项目都是可行的， 一般来说第一次钻井只有25%的成功率，第二次钻 井也不过50%的成功率，如果钻采失败，不仅钻井 的大规模投资打了水漂，前期占总成本11%的勘探 费用也将成为损失。由于这一原因，开发地热项目 具有高风险。
地热能利用
地热能利用地热能利用是利用地球内部所具有的热能，将其转换成热能的装置及系统。
广义地说，凡是利用地球内部所储藏的热能为动力，用以提高水温或用来发电和制冷，满足人们生活、生产和科学试验的需要的技术，都属于地热能利用的范畴。
在一般情况下，通过地热发电厂将地热能转化为电能，供给工业和民用电力，称为地热发电。
地热能资源十分丰富，总量估计约占全球一次能源蕴藏量的10%。
地球内部的热能很大一部分集中在地壳的浅部，从深度为6000米到2000米的地壳平均温度为170度。
其余大部分热能在地下几公里至100多公里的范围内，约占总能量的75%。
从世界范围看，地热田主要分布在环太平洋地区和大西洋东岸，亚洲的中、印度尼西亚，非洲的埃塞俄比亚，美洲的巴西和委内瑞拉等国家。
我国有5个省、市、自治区发现了地热异常。
1999年1月14日，我国第一座地热电站在山西省吉县开工兴建，该电站是由中国地质大学研制的“集热型地热装置”，它作为目前世界上应用最广泛的大型“集热式”地热发电装置，以地表浅层水作为低温热源，吸收地下的热能，再通过热泵原理输送到地面。
这种地热发电方式，是利用了地热能资源中可利用的巨大经济效益。
1、现状与问题2、对策与发展方向1999年7月11日，我国自行设计的三峡水电站首台机组——两机组安装开始进入安装阶段， 1999年9月16日首台机组投产发电。
2001年5月22日实现两台机组并网发电，创造了地热发电的世界纪录。
截止2005年12月底，已累计安装8台，总装机容量已达到38兆瓦。
2005年9月，总装机容量达到100兆瓦的三门峡地热电站正式启动。
2006年9月3日，河北省邢台市宁晋县东汪镇大曹庄村地热电站试车成功，这是我国首座利用地热资源进行发电的地热电站，也是目前世界上规模最大的地热电站。
地热能资源是可再生资源，同时又是清洁能源。
据有关专家介绍，如果我国的地热资源能得到充分的开发利用，那么每年将节约原煤1.5亿吨。
地热能原理
地热能原理地热能是一种由地球内部的热能所产生的能源。
地球的内部具有高温的岩石和熔岩，这些地下热源可以被利用来产生热能和电能。
地热能的原理基于地球内部的热能传导。
地球的内部温度随着深度的增加而增加，这是因为地球内部的热量主要来自于地球形成时的能量释放和放射性衰变等活动。
热量通过地球内部的热传导逐渐从地球的内部向地面传输。
利用地热能的一种常见方法是通过地热泵。
地热泵利用地下的稳定的温度来加热或冷却建筑物。
在冬季，地热泵通过地下回路中的液体来吸收地下的热量，然后将其转移到建筑物中，从而提供供暖。
在夏季，地热泵将室内的热量转移到地下回路中，实现建筑物的冷却。
另一种利用地热能的方法是通过地热发电。
这种方法利用地下岩石中的热能来产生蒸汽，然后驱动涡轮发电机产生电能。
地热发电通常发生在火山活动地区或地热资源较为丰富的地区。
与传统能源相比，地热能具有许多优势。
首先，地热能是一种可再生的能源，因为地球内部的热能会持续产生。
其次，地热能的利用对环境影响较小，不会产生大量的温室气体排放和污染物。
此外，地热能不受气候条件的限制，可以在任何季节都可以被利用。
最后，地热能可以提供稳定的能源供应，不受外部能源价格的波动影响。
尽管地热能具有许多优势，但它也存在一些限制和挑战。
地热能的利用通常需要地质条件的支持，只有在地下热源丰富且易于获取时才能使用。
此外，地热能的开发成本较高，需要投入大量的资金和技术支持。
另外，地热能的利用不适合所有地区，只有在特定的地理位置才能获得较高的能源利用效率。
综上所述，地热能的原理基于地球内部的热能传导，利用地下的热量来产生热能和电能。
地热能具有可再生、环保、稳定等优势，但同时也存在地质条件限制和开发成本高的挑战。
未来，随着科技的进步和对可再生能源需求的增加，地热能有望得到更广泛的应用和发展。
地热能
• 西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。
• 包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田
• 除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区， 可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平 原的地热田
地源热泵
为了开发利用低温地热资源和提高地热利用率，用热泵将地下水、土壤和地 热排水的热量升级到较高的温位进行供暖，或同时提供夏季空调的冷源，已 经成为广泛利用的技术
因为地下水、土壤、地热排水的热量都来自地下，故此类热泵统称为地热热 泵或地源热泵 地源热泵主要分压缩式和吸收式两种，系统分开式和闭式两种 热泵从低温地热水或土壤抽取热量后，地热水和土壤的温度降低，把低温地 热水回灌到另一口井中，或低温土壤就是夏季空调的冷量来源。 地热热泵技术用于采暖和空调在美国、加拿大、德国、瑞士、奥地利、丹麦 等国发展十分迅速。 近年来，我国地热热泵也有长足的发展，多用于北方城市社区的冬季供暖。
一、地热能的分类
根据热水温度分为：
高温地热能 （>150℃） 中温地热能（90-150℃） 低温地热能（≤90℃）
按属性可分为：
水热型 地压地热能 干热岩型
二、地热能的分布
二、地热能的分布
环太平洋地热带 地中海、喜马拉雅地热带 其他地热区
本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝 气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做 功，其后排放或收集到凝汽器中
这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定 难度，尚在攻关。
干热岩发电系统
利用地下干热岩提发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970 年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米 的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取 出自岩体加热产生的蒸汽，功率高达2300千瓦。进行干热岩发 电研究的还有日本英国、法国德国俄罗斯，但迄今尚无大规模 应用。
地热能
分布
地热能分布地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超 过补充的速度，那么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当广泛。据估计，每年从地球内部传到 地面的热能相当于100PW·h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。
据2010年世界地热大会统计，全世界共有78个国家正在开发利用地热技术，27个国家利用地热发电，总装机 容量为MW，年发电量GW·h，平均利用系数72%。目前世界上最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站，其第一 台地热发电机组（11MW）于1960年启动，以后的10年中，2号（13MW）、3号（27MW）和4号（27MW）机组相续投 入运行。20世纪70年代共投产9台机组，80年代以后又相续投产一大批机组，其中除13号机组容量为135MW外，其 余多为110MW机组。我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区 。
可持续性
岩浆/火山的地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿命使地热源成为一种再生能源。 此外，地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦(热)以上。
人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北岛开始用地热源发电(2013年为 212兆瓦)；美国加州的喷泉热田，从1960年就开始发电，输出功率为1300兆瓦。显然，地热资源能够可靠、安全 和可持续性地运行。地热生产的可持续性也可从存在于热库岩石(含热量85%～95%)中的热源判断。在美国加州的 喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿(1短顿=907公斤)煤所得的能量 。
怎样利用这种巨大的潜在能源呢？意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子于1904年在拉德雷罗首次把天然的地 热蒸气用于发电。地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡 轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送 回地下，这样循环往复。
第九章地热能PPT课件
16
3．地下热水形成
❖ 地下热水的形成一般可分为深循环型和特殊热源型两种形成类型. (1)深循环型。一边冷水下降，一边热水上升，这就构成地下热水的循
环运动。形成过程图 ❖ 深循环型地下热水的形成、运动和储存，与地质构造密切相关。 (2)特殊热源型。数十亿年来地壳岩层一直在经历着断裂、挤压、折曲
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地热从何而来?
❖ 关于地球的起源问题，目前有许多不同的假说，因此，关于地 热的来源问题，也有许多不同的解释。但是，这些解释都一致 承认，地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来 源。
❖ 放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等，这些放射性元 素的衰变是原子核能的释放过程。
❖ 放射性物质的原子核．无需外力的作用，就能自发地放出电子、 氦核和光子等高速粒子并形成射线。在地球内部，这些粒子和 射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了 热能。
第九章 地热能
1
阿里地区地热田
2
冰岛地热
3
羊八井地热电站 4
第一节 地热能基本知识
❖ 什么叫地热能?地热有多大? ❖ 地球的构造是怎样的?地热温度有多高? ❖ 地热从何而来? ❖ 形成地热资源的要素?地热资源有哪些形式? ❖ 各种地热资源的开发技术概况.
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什么叫地热能?地热有多大？
❖ 所谓地热能，简单地说．就是来自地下的热能，即地球内 部的热能。
❖ 这类资源分布广、储量丰富，根据其温度可分为高温 (>150℃)、中温(90—150℃)和低温(90 ℃以下)。
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地热能
——21世纪的绿色新能源
地热能综述
假若以目前全世界的能耗总量来对地热能进行 估计，那么，即便是全世界完全使用地热能， 4100万年以后也只能使地球内部的温度至多下 降1℃。可见，地热能的开发利用潜力竟是如 此的巨大!已故著名地质学家李四光说过： “开发地热能，就像人类发现煤、石油可以燃 烧一样，开辟了利用能源的新纪元。”
地热能
地热的分布是很有规律的。从地表向地球内部， 温度逐渐上升。在地壳层最上部的十几千米范 围内，深度每增加30米，地热的温度大约升高 1℃；在地下15～25千米的范围内，深度每增 100米，地热的温度大约升高1.5℃；到了25千 米以下的区域，深度每增加100米，地热的温 度大约只升高0.8℃；从这个区域再往下深入 到一定深度，其温度就基本上保持不变了。
地热发电
1904年，意大利人拉德瑞罗利用地热进 行发电，并创建了世界上第一座地热蒸 气发电站，装机容量为250千瓦。60年 代以来，由于石油、煤炭等各种能源的 大量消耗，美国、新西兰、意大利等国 又对地热能重视起来，相继建成了一批 地热电站，总计约有150多座，装机总容 量达350万千瓦。
地热发电
地热发电系统
地热发电系统主要有四种： 地热蒸汽发电系统：利用地热蒸汽推动 汽轮机运转，产生电能。本系统技术成 熟、运行安全可靠，是地热发电的主要 形式。西藏羊八井地热电站采用的便是 这种形式。
地 熱 蒸 汽 發 電 系 統
The first modern geothermal power plants were also built in Lardello, Italy. They were destroyed in World War II and rebuilt. Today after 90 years, the Lardello field is still producing.
地热能
现状地热能〔Geothermal Energy〕是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。
地球内部的温度高达7000℃，而在80至100公英里的深度处，温度会降至650至1200℃。
透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。
高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。
运用地热能最简单和最合乎成本效应的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
早在人类文明支出，世界上许多国家的人们就利用温泉洗浴和清洗衣物。
在20世纪，地热能源首次被大规模用于采暖，工业加工和发电。
近30年来，地热能的利用急剧增长。
到2000年，世界傻瓜80个拥有地热资源的国家中国中58个国家已经有地热利用的记载。
近期的发展特点是地源热热泵增长极快。
我国地热资源丰富，通过30多年地热地质调查，已发现地热区3200多处，已完成的大、中型地热田勘察50多处，主要分布在京、津、冀、东南沿海、内陆盆地和藏滇地区。
其中大于150℃的高温地热系统，即直接可以用于发电的有255处，总发电潜力5800MW （30年）；中低温地热系统课用于非电直接利用的2900多处，开发潜力在2000亿t标准煤当量以上。
发展地热我国是世界上地热资源储量较大的国家之一，尤其是中低温地热资源，开发利用潜力巨大。
据不完全统计，我国温泉有2300多处，施工地热钻孔近4000眼。
我国还是世界上利用地热资源较早的国家之一。
从20世纪50年代起，原来的地质部就已经陆续开展了全国温泉资源调查和重点地区的地热资源勘查评价工作。
近年来，国土资源部又组织开展了全国温泉和重点地区的地热资源勘查评价，为国家探明了一批中高温地热田，初步掌握了全国２０００米以内的地热资源基本状况和分布规律。
作为清洁能源的地热资源开发，已经在缓解我国能源紧张的局面、保护环境等方面起到了不小的作用。
目前，除西藏羊八井用地热进行发电外，其余地区主要是地热资源的直接利用，基本形成了以羊八井为代表的地热发电、以天津和西安为代表的地热供暖、以东南沿海为代表的疗养与旅游和以华北平原为代表的种植与养殖的开发利用格局。
地热能
作用
• 地热发电：利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后 带动发电机发电。 • 地热供暖：将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于 地热发电的地热利用方式。 • 地热务农：利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早 熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥， 提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧、种菜和养花； 利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。 • 地热行医：由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较 高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医 疗效果。如合碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体 酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症； 氢泉、 硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。
分布
• 地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和 地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那 么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当 广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于 100PW· h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发 难度大。 • 据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上 18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容 量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大 利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资源也很丰富，但 开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。 地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和 地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那 么地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用相当 广泛。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于 100PW· h。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发 难度大。
人造地热能
人造地热能EGS(Enhanced Geothermal Systems)是 为了解 决全球暖化对于干净能源 的大量需求而逐渐成为21世纪显学 的一种新方法，最初概念70年代已经提出 但是一直没有受到重视，因为地热分布地 区极为受限，于是有人提出采用深度钻孔 技术于任何地方钻至靠近地底熔岩附近 300度以上的区域，至少钻2井一井注入热 水一井收回地热蒸气发电，如果成本允许钻更多回收井则可以 减少散失蒸气；增加发电效能。 虽然原理简单但是由于所需 井深极深达5公里以上，又要通过许多坚硬花岗岩地壳，传统 冲钻法需磨损数百具高价钻头成本太大，而地底状况难以掌握 有可能钻出水汽不能流通的废井，加上地热在大众媒体关注不 如太阳能和风力高，诸多因素使人不愿投资而停于实验阶段。
可再生能源概论左然第九章地热能
全熔融状态的高温熔岩。
地热资源按温度的分类
地热资源按温度分，可分为高温（T>1500C）、 中温（900C<T<1500C）、 低温（T<900C）三类.
近年来也有人提出，以150℃或190℃为分界线，将地热资 源仅分为低温和高温两类。
图9－3 理想地热资源示意图（White,1973）
表9—6 不同温度下部分岩石的热扩散率α
温度岩 石
350K 400K 500K 600K 700 K 800 K 900 K 1000 K 1100 K 1200 K
花岗岩 5.94 5.29 3.78 2.45 1.73 1.4 1.22 1.26
1.33
1.44
辉岩 5.08 4.68 3.96 3.20 2.63 2.48 2.41 2.38
1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始进行干热岩的 地热开发试验，1984年建成了世界上第一座10MW的干热 岩地热发电站。
1984年，日本开始在肘折地区钻井试验，1990年建成干热 岩发电厂。日本还建造过两座利用150℃地热水发电的试验 电站，功率为1MW。
1977年，英国开始在Comwall火山区进行干热岩地热开发 研究。
缺点是低压蒸汽比容大，所以管道、汽轮机的尺寸较大。 另外设备中通过的是直接从地热井来的含有一定腐蚀性成 分的介质，设备易结垢与腐蚀。
为了最大限度地利用地热能，可考虑采用多级闪蒸 的系统，以提高能量的利用效率
图9－14 带有前级两相分离装置的地热发电系统
双循环地热发电系统
双循环地热发电系统是利用地热水来加热某种低沸点 工质，使其沸腾，产生的蒸汽供汽轮发电机使用。
第九章地热能
集中送风式是将空气在一个大的热风加热器中加热，然后 输出到各个供暖房间； 分散加热式是将地热水引向各个房间的暖风机或风机盘管
系统，以加热房间的空气。
图9-10 蒸汽型地热发电系统
热水型地热电站
热水型（含水汽两相混合物）地热发电是当前地热发电 的主要形式。适用于中低温地热资源。目前，已经采用的发 电循环有两种，它们分别是：
闪蒸地热发电系统
双循环地热发电系统
闪蒸地热发电系统
来自地热井的压力热水进入闪蒸锅炉（减压扩容）， 由于压力突然降低，热水发生沸腾，闪蒸出的蒸汽进入汽 轮发电机组做功发电。
图9－14 带有前级两相分离装置的地热发电系统
双循环地热发电系统
双循环地热发电系统是利用地热水来加热某种低沸点
工质，使其沸腾，产生的蒸汽供汽轮发电机使用。
图9-15 双循环地热发电系统
与闪蒸发电系统相比，双循环发电系统有如下优点：
低沸点工质蒸汽压力高，比容小，所以双循环发电系统的 管道和汽轮机尺寸较小，结构紧凑，造价较低； 地热水与发电系统并不直接接触，管道和汽轮机受地下介 质的腐蚀可以避免； 可以利用含盐量大，腐蚀性强和不凝性气体含量大的地热 资源； 可以利用温度较低的地热资源。
井孔流体参数的测量是获取热储基本数据的重要环节
井下压力测量，一般采用普通的波登管压力计。 温度的测量可采用电阻测温仪或热电偶。
流量的测量可用孔板流量计，也可直接用简单的容积法或 堰箱来进行测量。
热储工程基础理论是建立在流体通过多孔介质时的流动和 传热规律的基础上。这些基本规律包括流体的热力状态方程， 热力学第一定律，质量守恒方程和达西定律。其中达西定律是 研究地热流体在岩层中运动的最重要的理论基础。
第9章地热能概要
第9章地热能第1节地热的来源及分类一、地热之库——地球1、地球的结构地球是个巨大的热库，地热就是这个天然大热库中蕴藏的热能。
据估算，地热能的总量相当于地球内部埋藏的全部煤炭化学能的1.4亿倍。
地热的蕴藏和显示特性与地球的地质构造密切相关。
地球像个南北不对称的椭球，其赤道半径约6378km，极半径约6357km，而且南部偏大，北部偏小，所以有人把它形象地描述为“梨形”。
科学家们认为，地球从地表到地心的大结构可分为3层：地壳、地幔和地核。
在这3层结构中，地球物质的密度、成分和状态不同。
(1)地壳地球最外面的一层固体硬壳为地壳，总的可分为大陆地壳和海底地壳。
大陆地壳的厚度因地形构造不同而变化，平均厚度为35km，褶皱山系地壳的厚度可达70km。
大陆地壳的表层是土壤层、风化层和沉积层，厚度0~10km；表层下面是花岗岩层，平均密度为2700kg/m3，主要由钠、钾、铝硅酸盐组成，因而也称硅铝层；再下面是玄武岩层，平均密度为2900kg/m3，主要化学成分是硅、镁、铝、铁，故称为硅镁层。
海底地壳厚度只有6~11km(在大洋中脊甚至只有3km)；海地壳的岩石都是玄武岩，没有花岗岩层，平均密度为2900~3000kg/m3。
地壳的下边界，即大陆地壳和海底地壳的玄武岩层的底界，称为莫霍洛维奇不连续面，简称“莫霍面”。
莫霍面是一波速界面，在56km深处的莫霍面上，地震纵波(P波)速度从5.6km/s突增至7.8km/s。
地壳并非是一个整体，按照20世纪60年代以后发展起来的大地板块构造和漂移学说，地壳是由六大主要的板块和一些小的板块组成的。
这六大板块是：太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。
地热资源，还有地震带、矿产资源的分布，都受到这种地壳地质结构的严格控制。
(2)地幔地壳以下至地核的中间层是地幔，其下界在地表以下约2900km深处。
地幔内部的结构非常复杂和不均一，但多数地球科学家根据地震波的变化把它分为上地幔与下地幔，地壳以下1000km的厚度定为上地幔，其余部分为下地幔。
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地源热泵利用地热能有三种方式
第一种是采用埋地换热器的闭式回路（图a）。 第二种是抽出地热水，地热水通过热泵地面换热器，即蒸 发器，将地热能释放给热泵工质（b）。
第三种是将吸热装置浸入表层地热水池（c）。
图9－20 地源热泵的种类
图9-21 U管埋地换热器地源热泵系统
地热热风供暖
地热热风供暖适用于热耗量大的建筑物和有防水要求 的供暖场合。供暖的热风系统可以为集中送风式和分散加 热式两种。
第九章 地热能
9.1 地热能概述
地热主要是由地球内部 长寿命的微量放射性元 素，主要是铀（U）238、 钍（Th）232和钾（K） 40衰变而放出的热量。 这些热能会以热蒸汽、 热水、干热岩等形式向 地壳的某一范围聚集 。
图9－1 地球的构造
地热资源的国内外利用状况
1904年，在意大利拉德瑞罗（Lardarello）建成世界上第一 台3/4马力的小型地热发电机组。 1913年，在拉德瑞罗建成250KW的地热商业电站。 1958年，在新西兰怀拉基（Wairakei）首次建成直接利用地 热湿蒸汽发电的地热电站。 1960年，在美国著名的盖塞斯（Geysers）建成较大型的地热 电站。 1977年，我国西藏羊八井第一口地热井供汽发电。
图9—2 地球板块构造和相应的地热带示意图
地热资源的分类
形成一处地热资源的三大要素是热源、流体和储热空 间。在地质学上，把地热资源按其在地下储存的形式分为 五种类型： 热水型地热资源 热水型地热资源是以热水形式存在的地热资源。它主 要存在于火山活动地区和沉积盆地。 蒸汽型地热资源 蒸汽型地热资源是指以温度较高的湿蒸汽和过热蒸汽 形式存在的地热资源。
H A 达西定律： Q K L
Q ：流体的体积流量
度的水头差
H L
H ：沿 L 长 A ：流通面积 K ：水力传导系数 ：水力梯度
根据地质结构和能量、质量以及流体运动方程，建立热储理 论模型并对热储进行数值模拟是热储工程的一个主要研究内 容。热储模型是针对某一特定的地质体构建的。
为了能对热储进行模拟研究，需要掌握下列基本数据和边界 条件： 岩层的地质数据； 热储的边界以及流体流动区域； 流体的物理化学特性以及地温和压力分布曲线等。
t 0 (0 1.38)[exp( 0.725
数；
t :岩石在温度 t 时的导热系数； 0 ：岩石在20o C
T ：岩石热力学温度
T 293 .15 ) 1] T 403 .15
时的导热系
含水岩石的比热容可用下式计算
图9－6 岩石比热容与温度的关系 （引自Heuze,1983）
双循环发电系统的缺点有
低沸点工质较贵，有的还易燃易爆，或有毒性，因此对系统 密封性、安全性要求较高； 采用间壁式换热器，传热温差损失较大。同时低沸点工质的 传热性能较差，换热器的换热面积较大，增强了设备的投资；
对系统的操作和维护的技术要求较高。
图9-16 美国加利福尼亚州的一个地热发电站实景，装机容量268MW
橄榄石
玄武岩
3.28
2.27
3.09
2.23
2.74
2.19
2.45
2.16
2.23
2.05
2.05
1.87
1.80
1.40
1.33
1.29
1.19
1.40
1.08
1.48
地热带中地热流体与岩石之间的对流换热系数也是一个 重要的热物理量，它反应流体与岩石之间热量交换能力的大 小，用符号h表示，单位为W/m2· K。 换热系数除了与岩石的导热性能、热流密度和通道形态 有关外，还与流体的物态、流速和温度状态有关，一般需要 通过实验测定。
2001年，羊八井地热电站的总装机容量已达25MW。
1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始进行干热岩的地 热开发试验，1984年建成了世界上第一座10MW的干热岩地热 发电站。 1984年，日本开始在肘折地区钻井试验，1990年建成干热岩 发电厂。日本还建造过两座利用150℃地热水发电的试验电 站，功率为1MW。 1977年，英国开始在Comwall火山区进行干热岩地热开发研 究。 1992年，法国开始在Soultz地区进行干热岩开发试验。 我国天津大学等单位也开展过地温地热水的发电研究，但由 于发电效率较低而无法大规模推广。
图9-12 闪蒸地热发电系统 (a)热水；(b)湿蒸汽
闪蒸地热发电的特点：
优点是系统简单，运行和维护方便。闪蒸锅炉结构简单， 造价低。 缺点是低压蒸汽比容大，所以管道、汽轮机的尺寸较大。 另外设备中通过的是直接从地热井来的含有一定腐蚀性成 分的介质，设备易结垢与腐蚀。
为了最大限度地利用地热能，可考虑采用多级闪蒸 的系统，以提高能量的利用效率
表9-1
2005年世界地热利用统计表
（资料来源：中国地质调查局网站）
9.2
我国的地热资源
地热资源和地热带 地热中能够为人类所利用的那部分，称为地热资源。 已查明地热资源或确认地热资源:经过地质调查和地球物探工 作，并经钻探验证，地质构造和地热资源储量已查明的地热资 源。 推测地热资源：经过初步调查或是根据某些地热现象，如温泉、 地热等物探资料推测、估算的地热资源。
地热资源量（热储量）的计算：
Qr ADc m (T Tr )
Qr ：地热储量； A ：热储层分布面积； D ：热储层厚 T ：热储层平均温度； Tr ：当地基准温度； c m ：热 度；
储层岩石和流体的平均体积比热容
c m r cr (1 ) f c f
t , f 分别是岩石和流体的平均密度； c , c r f
地热资源的储量估算
目前采用体积法和积分法两类
体积法是根据热储中岩石和水的密度、体积、比热以及平 均温度，直接计算出热储区的静态含热量。 积分法是按照热储区的地温梯度，沿深度积分得到。
地热带
地热资源的位置和分布，主要受地质构造的控制。 按照地球板块构造学说，地球上的地热带可分成板间地热带 和板内地热带两大类。 板间地热带地热源温度高，由火山或岩浆所造成。 板内地热带是在板块内部地壳隆起区和沉降区内发育的中低 温地热带和少量特殊形成的高温地热带。
井孔流体参数的测量是获取热储基本数据的重要环节
井下压力测量，一般采用普通的波登管压力计。 温度的测量可采用电阻测温仪或热电偶。
流量的测量可用孔板流量计，也可直接用简单的容积法或 堰箱来进行测量。
热储工程基础理论是建立在流体通过多孔介质时的流动和 传热规律的基础上。这些基本规律包括流体的热力状态方程， 热力学第一定律，质量守恒方程和达西定律。其中达西定律是 研究地热流体在岩层中运动的最重要的理论基础。
图9-19 地热间接供暖系统示意图
地源热泵系统
它可以直接用地热水，而更多地是利用土壤作为低温热 源，即在土壤中埋设盘管或U型管，从土壤吸收的热能通过 热泵向室内供暖和供热水。
由于空气源热泵在冬季性能急剧下降，且易发生结霜结冻 等问题影响热泵的运行，因此用地源热泵替代空气源热泵正 在许多国家和地区获得推广应用。
集中送风式是将空气在一个大的热风加热器中加热，然后 输出到各个供暖房间； 分散加热式是将地热水引向各个房间的暖风机或风机盘管
系统，以加热房间的空气。
9.5 地热供暖
地热水供暖系统
地热能用于采暖、供热和供热水，是目前地热能最广泛 的利用形式。 地热水热量的利用率定义为： 地热水热利用率＝地热水实际供热量/地热水可供热量。
地热供暖系统可分为地热直接供暖系统与地热间接供 暖系统两类
图9-17 地热直接采暖系统示意图
图9－18 北京小汤山某地热直接供暖系统工艺流程图 （天津地热研究培训研究中心，天津大学，1995）
地压型地热资源 地压型地热资源是指埋藏在地下2～3Km深处沉积岩中的有 压力的高盐分热水。 干热岩型地热资源 在地壳的深处，岩石层具有很高的温度，储存着大量的热 能。 干热岩地热资源十分丰富，比上述三类地热资源大得多， 是未来人们开发地热资源的重点目标。 岩浆型地热资源 岩浆型地热资源是指蕴藏在地层深处的呈粘弹性状态或完
体的平均比热容；
是岩石和流
是岩层的空隙率
9.4 地热发电
地热发电一般要求地热流体的温度在200℃以上，这时 发电成本较低，有较好的经济性。 根据地热流体的热量参数和性状，可以有两种不同的发 方式:蒸汽型地热发电和热水型（含水汽两相混合物）地热 发电。
蒸汽型地热电站
蒸汽型地热发电是把 高温地热蒸汽田中的干 蒸汽直接引入汽轮发电 机组进行发电的一种发 电模式。
表9-2 中国地热资源成因类型 （来源：中国矿业网）
表9-3 中国大、中型地热田资源 （来源：中国矿业网）
9.3 热储工程学基础
热储工程的主要内容包括对地热资源的勘查、钻探， 地热井试验和热储分析，热储工程基础理论以及地热资 源评价等等。
砂岩、石灰岩和黏土岩的导热系数在温度为20~300℃ 时，由下列经验公式计算：
岩石的热扩散率是反映岩石在加热或冷却过程中内 部温度趋于一致的能力，也是反映岩石内部温度变化传播 能力的一个物理量，用符号α表示，单位为m2/s或m2/h。
表9—6 不同温度下部分岩石的热扩散率α
温度岩 石 花岗岩 辉岩 橄榄岩 辉长岩 榴辉岩 微斜长 石 辉长辉 绿岩 闪长石 350K 5.94 5.08 4.86 4.5 4.28 3.74 3.56 3.46 400K 5.29 4.68 443 3.99 4.03 3.53 3.35 3.31 500K 3.78 3.96 3.71 3.17 3.49 3.17 3.06 2.92 600K 2.45 3.20 2.95 2.52 3.02 2.81 2.74 2.41 700 K 1.73 2.63 2.41 2.02 2.63 2.52 2.48 1.87 800 K 1.4 2.48 2.3 1.62 2.30 2.38 2.23 1.69 900 K 1.22 2.41 2.3 1.37 2.05 2.27 2.16 1.26 1000 K 1.26 2.38 2.27 1.27 1.91 2.19 1.80 1.08 1100 K 1.33 2.27 2.19 1.19 1.80 2.16 1.62 — 1200 K 1.44 2.09 2.02 1.22 1.66 2.12 1.51 —