地热资源信息化管理概述

数据分析
Ø 建筑负荷 Ø 建筑热容 Ø 建筑热惯性 Ø 建筑所需能量 Ø 建筑需能的时间分布 Ø 水泵与主机的最佳配比
控制模式
Ø传统控制
（T外，q日，q内）→T内→T供/T回→q入→T内
Ø室内温度控制 （T外，q日，q内）→T内→q入→T内 Ø室外参数控制（温度补偿） （T外，q日，q内）→q入→T内 Ø预报参数控制 （T外，q日，q内）预测值→预报q入→T内
存在形式
地热资源在地下储存的形式有：
l蒸汽型 l热水型 l地压型 l干热岩型 l岩浆型
利用
深部地热能的应用可分为地热发电和直接利用两大类。 高温地热资源通常用于地热发电；而中低温地热资源（主 要是地热水）通常用于建筑物供暖、洗浴、医疗、工业品 烘干、制冷、农业育秧、温室种植、水产养殖等方面。
深部地热能利用的具体形式 l地热发电 l工业加热、采暖、制冷和空调 l用于农业和水产养殖业 l用于洗浴、医疗和保健
能量中可转化为功的部分就是有用能，热力学中称为“㶲”，能量中不能 转化为功的部分就是无用能，称为“火无”。
能量贬值原理
l 设备散热 l 设备生热 l 设备排热 l 能量品位下降
（1）热量从高温传向低温，直至接 近环境温度。
（2）液体从压力高处流向压力低处， 直至接近与环境相平衡的压力。
（3）物质从浓度高处扩散转移到浓 度低处，直至接近与环境相平衡的 浓度。
吸收高温 热量QG
发 生 器
热 交 换 器
吸 收 器
供给用户 热量QA
供给用户 热量QC
冷凝器
蒸发器
提取低温 余热QE
第二类吸收式热泵
在吸收器中，溴化锂溶液吸收水蒸汽后浓度变 稀，该稀溶液从吸收器出来后经溶液换热器与浓溶 液换热，然后进入发生器由中温余热加热，溶液蒸 发浓缩，蒸发出来的水蒸汽进入冷凝器冷凝。冷凝 器由冷却水塔冷却，冷却水的温度接近环境温度， 进入冷凝器的水蒸汽在稍高于冷却水的温度下冷凝， 其压力为水在冷凝温度下的饱和蒸汽压力。由于此 压力很低，且冷凝器与发生器直接连通，两者压力 基本相等，所以发生器中的压力也很低，稀溶液即 使由温度较低的中温余热加热也同样能够蒸发出水 蒸汽并使溶液浓缩，浓缩后的溶液由溶液泵加压送 到吸收器吸收放热，从而完成溶液循环。在冷凝器 中冷凝下来的水经水泵加压送入蒸发器由余热加热 蒸发为水蒸汽，然后进入吸收器被溶液吸收，同时 释放出较高温度的热量。
温度可达6000-7000℃。
l 地幔是介于地表和地核之间
的中间层，地幔顶部存在一
个温度很高的软流层，大致
在1000℃以上，有些地方可
达2000-3000℃。
海洋地壳（厚度 3～15km）
地幔
外核（液态） 内核 （固
厚度态2）200km
厚2900km
特点
深部地热能是一种特殊的矿产资源，其功能多，用途广，是一种 情结的可再生资源。地热能对于人类未来的重要性和现实性将大于其 他可再生资源，其主要特点如下： l存储量大。据估算，存储于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7 亿倍，全球可采地热资源量为每年500×109GJ，超过当今全球年均 一次能源消耗总量。 l可以高效、稳定、连续地供应。热能平均能源利用效率高达73%， 是风电的3-4倍，太阳能的4-5倍，生物质能的1.5倍。地热资源不受 外界环境条件的影响，地热发电不仅可以长期稳定地运行，而且可以 实现调峰。 l运行费用低。地热电站的建设与运行费用不仅与风电和太阳能发电相 比具有优势，与传统火力发电相比也同样具有竞争力，其发电所需一 次能源的成本几乎为零。 注：目前整个社会对于深部地热能的优点和作用认识不足，对其开发 利用的重视不够，对替代化石能源这一对人类和地球的长期生存至关 重要的工作是十分不利的。
A．吸收器；E．蒸发器； G．发生器；C．冷凝器； SHX．溶液换热器； Q A．发生过程放出的热量； QS ．外部热源的热量。
引射式热泵
喷射式热泵的工作原理是以蒸汽减压前后的能量差为动力，高压蒸汽通过 喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将低压蒸汽吸 入设备，高压蒸汽在膨胀的同时压缩低压蒸汽，用高压蒸汽的裕压提高低 压蒸汽的品位，然后通过混合室进行良好混合，混合后的蒸汽再通过扩压 室恢复部分压力，达到要求的蒸汽压力后供给热用户使用。
数据采集
影响建筑负荷的各个参数：如系统能耗、室内温度、 室外温度、室外风速风向、光照等。 Ø室内温度： 采集的温度要有足够的代表性，包含底层、顶层、 阳面、阴面、东侧、西侧、内区等等； Ø室外温度： 自测：测点要有代表性，地面、楼顶、阳面、阴面、 东侧、西侧等等；利用气象局的实测和预测温度。 Ø风速风向 Ø光照：光照强度和角度
（4）物体从高的位置降落到稳定的 位置。
（5）电荷从高电位迁移到接近于环 境的电位。
关于节能
Ø 能量不仅有数量多少的不同， 还有品位高低的差异
Ø 节约能源，不仅节约量，还要节约质 需求低的，尽量用低品位 高品位应先用其做功
第三部分 热泵技术
热泵的概念
Ø 热泵是一种能量品位的提升装置，它 可以把温度较低的热能提升为温度较 高的热能，使之变成可以利用的能源。
压缩式热泵原理
蒸气压缩式热泵的工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器 等热力设备中进行压缩、放热冷凝、节流和吸热蒸发四个主要热力过程，从 而在蒸发器中吸收低温热源的热量，以实现供热为目的的热泵循环。
第一类吸收式热泵
第一类蒸汽型吸收式热泵的基本原理如图所 示，发生器吸收高温热源的热量，生成高温 浓溶液和高压水蒸汽，高温浓溶液进入吸收 器；发生器生成的高压水蒸气进入冷凝器释 放热量供给用户，凝结的高压液态水通过节 流阀后变成低压的气液混合物，进入蒸发器 吸收低温热源的热量，蒸发生成低压水蒸气， 进入吸收器被高温浓溶液吸收，释放热量供 给用户；吸收器中的稀溶液温度降低，由溶 液循环泵加压输送至发生器，完成发生器和 吸收器之间的溶液交换；进入发生器的低温 稀溶液通过热交换器与进入吸收器的高温浓 溶液换热，进而降低吸收器的冷却负荷，同 时减少发生器所需耗热量。
第二部分 节能减排的必要性
能源种类
Ø 化石能源（传统能源）
煤炭，石油，天然气
Ø 可再生能源：
太阳能，地热能，水能，风能，生物质能，海洋能
Ø 核能：
核裂变（15%），核聚变（能量更大，无辐射）
Ø 新能源：
可再生能源+核能
能源消耗
Ø 2015年能源消费总量43亿吨标准煤
煤炭64%，石油18%，水、风、核、气18% 1995年13万吨，2005年23万吨
地热资源信息化管理
Ø 信息化管理
用现代信息技术对信息资源进行采集、整理、 分析、传输、存储和利用，力求资源有效配 置，共享管理，协调运作，以最少的消耗， 创造最大的利润
信息：数据 信息化：大数据 信息技术：大数据技术
Ø 大数据
一种规模大到在获取、存储、管理、分 析等方面大大超出了传统数据软件工具 能力范围的数据集合，具有海量的数据 规模、快速的数据流转、多样的数据类 型和价值密度低四大特征
Ø 它的作用与水泵有着相似之处：水泵 通过消耗机械能把水由低处送到高处， 提高水的势能；热泵则是消耗一定的 高品位能量（如电能），将热能由低 温处送到高温处。
热泵基本原理
热泵系统包括低 温热源、高温热源、 驱动源和装置本身四 个组成部分。
热泵系统包括低 温热源、高温热源、 驱动源和装置本身四 个组成部分。
第四部分 浅层地热能
来源—形成过程
地热能来源的三种说法： （1）主要来自大地热流即地球内部； （2）主要来自太阳能； （3）是大地热流和太阳能共同作用的结果。
来源—浅层地热的存在形式
地下水、地表水、地下土壤
Ø 用途： 我国：建筑25%，工业65%，交通10% 发达国家：各三分之一
能源危机
Ø 资源危机 化石能源
自1973年以来，共采800亿吨，占当时储量85%， 现有储量1370亿吨，每年约30亿吨，40-50年
Ø 环境危机 排放：污染物和碳，温室效应
煤天然气新能源能源互联网
✪雾霾的出现，使得能源与环境危 机已经看得见、摸得着，实实在在 影响了我们每个人
大数据：不再抽样
Ø计算机、存储器、传感器等硬件性能 Ø软件技术 Ø云计算 Ø互联网、移动互联网
大数据的意义
不在于数据本身，也不在于数据多少与大小， 而在于通过专业化的处理得到事物的内在规律。
Ø大数据是一种新的思维方式 Ø大数据是实现人工智能的基础 Ø大数据擅长挖掘复杂的看似不相关的规律 Ø大数据可以让人成为预知未来的大师 Ø大数据是财富 Ø玩好大数据，其乐无穷。
需解决问题
深部地热能在应用过程中，还存在一些难点问题需要加以重视和解决： 1.高温钻井技术。 超高的地层温度以及地层可能大量产水给钻井技术带来了许多挑战，因此，高温 井控、高温固井与成井等难题必须解决。 2. 回灌技术。 由于地下热水的开采导致地下水位的严重下降，水位埋深增大，甚至出现地面沉 降问题，严重地影响了地热资源的可持续发展。因此，加强回灌是地热可持续发 展的根本。目前，部分工程为了减少投资，不对地热水进行回灌，而是直接排放 到地表，这样不仅造成资源的大量浪费，而且由于地热水中含有大量的杂质，会 污染地表环境，严重时甚至会造成环境灾难。 3.杂质问题。 地热水和地热蒸汽中通常会有较多腐蚀性物质，如硫酸和铵、铁、铝等硫酸盐； 有时还有盐酸、硅酸、硼酸等，在有的热水中还含有二氧化硫、盐酸气等，从而 使地热水有一定的腐蚀性，对于金属的取暖器材和管道有很大的腐蚀，导致管材 的利用时间严重减少。除此之外，无论热水或蒸汽，都还经常挟带泥砂等固体异 物。这些杂质会对地热的利用产生严重的不良影响，必须妥善处理。
大数据方法 Ø数据的采集、传输、分析和应用 Ø采集是基础
传感器的布置与校核
Ø位置、分布 Ø 设备的精度。 Ø 设备的矫正： 专业实验室矫正、物理方式测量，现场的数据勘
察、பைடு நூலகம்样。 Ø 数据的过滤
地热资源信息化
新思路：大数据
Ø地热井的变化趋势 Ø地热资源的分布规律 Ø高效用能
地热资源的类型
蒸汽型 热水型 地压型 岩浆型 干热岩型
建筑能源需求的预测
Ø准确计算建筑冷热负荷的难度大 室外天气 室内使用情况 建筑自身的传热特性
Ø按需供能的难度更大
数据采集
系统能耗分为总输入能量和末端系统的输入 能量： Ø系统总输入能量即系统总能耗（包括主机 和水泵等），可以通过统计系统总耗电量和 总耗气量获得； Ø末端系统输入的能量需要借助于热量计来 测量。 Ø末端系统输入的能量与总输入能量的比值 正是系统的总能效比；
Ø 加热： 各种锅炉，各种工业炉、窑炉
Ø 做功： 蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、热泵
热能做功的能力
㶲和火无
根据能量的做功能力可以将它分为三种类型：
（1）可以完全转化为功的能量，如机械能、电能等，这些能量理论上可以百 分之百地转化为功或其他形式的能量，其品位是最高的。 （2）可部分转化为功的能量，如热能、煤及天然气等化石燃料所拥有的化学 能，这些能量只能部分转化为功或其他形式的能量。 （3）不能转化为功的能量，如大气环境温度状态下的热能以及上述电厂产生 的乏汽中的热能，这种能量只有量，没有质，不能做任何功。
地热资源的分布规律 海量数据，多多益善
Ø与大地热流的关系 Ø与地质结构的关系 Ø与地理位置的关系 Ø与温度梯度的关系 Ø与土壤岩石导热率的关系
Ø 地热井的变化趋势
水量、水温、水质 维护、寿命、运行成本
高效用能：大数据与智慧能源 Ø准确知道能源需求的数量和时间 Ø最小代价生产和输送所需要的能量
热泵与锅炉
能量来源 效率
供热能耗
制冷能耗
第三部分 深部地热能
来源
l 地球可看做平均半径
6371km的实心球体，主要
由三部分组成：地壳、地幔 和地核。
l 地壳的温度一般随深度的增 加而逐步升高，平均深度每
大陆地壳 （厚度20～
70km）
增加100m温度升高3℃左右。
l 地核中心压力可达350万atm，
✪化石能源燃烧是产生雾霾的主因
✪煤炭燃烧产生大量烟尘，同时还 增加了煤、灰、渣等的运输量，造 成运输车辆的二次污染
✪天然气不仅价格贵，而且燃烧产 生Nox也是PM2.5的主要成分
沈阳、长春、哈尔滨等北方主要城市 均在供暖初期出现严重雾霾天气
非再生矿物能源 资源逐渐枯竭
双重危 机
环境污染
能源短缺
利用能源的方式