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    項目情況簡介(省科技進步獎)

    來源:陜西四季春清潔熱源股份有限公司   時間:2021-04-07   訪問量:1513

    1、項目名稱
    無干擾地熱供熱技術 
    2、主要完成人
    李建峰;李驥;魏慶芃;王灃浩;李兆;王連慶;熊同位;李曉樂;楊浩
    3、提名單位
    西安市科技局
    4、提名意見
        陜西四季春清潔熱源股份有限公司于2013年研發成功的無干擾地熱供熱技術,并將其投入應用。截止2020年底,供暖面積超1000萬平方米。無干擾地熱供熱技術具有不受資源條件限制、應用地域廣、環境影響小、熱源穩定、供熱效果好等多項優點。特別是該技術采用密閉的管式換熱器與地殼進行熱交換,不抽取地下水,不需要尾水回灌,完全杜絕了對地下水的二次污染。
    陜西四季春清潔熱源股份有限公司自主研發無干擾地熱供熱技術通過對換熱器內換熱材料的不斷優化選擇,以及對采暖控制系統和鉆井技術的不斷改進,有效地提高了換熱和熱利用效率,降低了工程成本,從而率先在國內使用該技術達到了經濟開發水平。
    特推薦陜西四季春清潔熱源股份有限公司無干擾地熱供熱技術申報陜西省科學技術進步一等獎。 
    5、項目簡介
    立項背景
    隨著我國社會經濟的快速發展,環境問題日益凸顯,特別是我國冬季霧霾頻發,成為嚴峻的社會問題,傳統能源的粗放式發展之路已不可取,節能減排、清潔取暖勢在必行。
    “有深度就有溫度”,地球內蘊藏的地熱能十分豐富,地熱能資源總量相當于全球資源總消耗量的45萬倍。早在1970年地質部部長李四光先生就提出“地下是一個大熱庫,是人類開辟自然能源的一個新來源,就像人類發現煤炭、石油可以燃燒一樣”,“要將地下的熱取出來,若是能只取熱,不取水,那才算是邁進了地熱能利用的大門”,傳統地熱能資源利用不論是地熱發電還是水熱型地熱能資源利用方式,都與當地資源稟賦密切相關,成本高,難以大規模推廣復制。因此,如何以最小的環境影響提取地熱能資源,并且具有技術經濟普遍適用性,成為地熱能清潔利用的核心問題。
    技術內容
    無干擾地熱供熱技術(干熱巖供熱技術)是指通過鉆機向地下一定深處高溫巖層鉆孔,在鉆孔中安裝一種密閉的套管換熱器,通過換熱器外表面與地下高溫巖層的熱傳導作用,以及換熱器內部傳熱介質流動將地下深處的熱能導出,再通過地面處專用高效熱泵設備和輸配系統,向建筑物清潔供熱的新技術。
    這一技術的提出和工程實踐,徹底打破傳統地熱能利用受到多方面限制的瓶頸,不再開采地熱水,而是以“溫度對口、梯級利用、密閉換熱”的方式實現地熱能資源更廣泛、高效、經濟、持續地利用。通過這一無干擾地熱供熱技術,將使得地熱能的可利用程度變得“無窮大”、空間分布“無限廣”,可以隨時隨地將地熱能資源應用于任何行業和領域,因此具有革命性的意義,使得
    地熱能資源成為可以持續開發、替代化石能源的一種清潔能源。
    技術經濟指標:以無干擾地熱供熱技術為建筑物供熱,系統性能系數達到7.8,比常規地源熱泵系統效率高50%以上,一次能源利用效率比傳統鍋爐供熱提高80%以上,項目投資內部收益率為10.03%,與燃煤鍋爐比投資回收期(靜態)約9.42年。
    環境效益情況:與燃煤鍋爐相比,如推廣應用無干擾地熱供熱項目面積1000萬平米,則每年可替代燃煤約19.2萬噸,每年減少CO2排放量約50萬噸,減少SO2排放量約1630噸,大規模推廣應用在改善環境的同時,可充分帶動投資,促進經濟增長,為社會創造更多就業機會,并對帶動上下游產業的發展,形成新的地熱能產業發揮非常重要的作用 
    6、客觀評價
    我公司研發的創新技術無干擾地熱供熱技術換熱在密閉管路中循環進行,沒有尾水及尾水回灌的問題,杜絕了尾水的環境污染、過度開采地下水資源甚至地面沉降等問題,具有不抽水、不用水,能保護地下水和地熱水資源等優點。此外,干熱巖深層地熱能相比淺層地熱能熱源具有穩定、連續、利用效率高、蘊含能量較淺層地熱多、溫度也更高等優點,從而使得供熱系統性能更好,節能效果更顯著。干熱巖深層地熱資源存儲量豐富,可開發潛力巨大,且地熱能作為可再生能源,在全省乃至全國范圍內開發利用好地熱能資源,尤其是干熱巖深層地熱能資源,對緩解全省乃至全國能源緊張、環境及生態問題尤其在治污減霾方面具有重要的意義。
    隨著我國經濟持續快速發展,能源需求不斷增長,能源供應不足進一步顯現,環境污染狀況加劇,為了緩解能源對國家發展的制約,開發和利用新型清潔能源已迫在眉睫。
    無干擾地熱供熱技術通過2000米以上超長套管換熱器技術、高溫熱源熱泵、延遲固“孔”封水工藝和長時間流態化封堵壓漿材料、超長換熱器傳熱模型的建立實測矯正和中深層地熱換熱器優化軟件的開發等關鍵技術,實現了為地面建筑物提供持續穩定、綠色的熱源。該技術是對傳統地熱利用的創新,首先是對地熱能利用理論的創新,突破了傳統的地源熱泵和地熱水利用技術的瓶頸,改變了傳統意義上的地熱概念;二是通過超長換熱器(2-3km)的創新,解決了換熱器的設計、安裝、密封和承壓問題,通過換熱器的換熱創造性的將中深層地熱作為熱泵的熱源;三是憑借研制的中深層地熱能換熱機組,可接受高溫熱源,運行穩定,能效高,節能效果明顯;四是對地下水保護的創新,在基于“取熱不取水” 的指導原則下,施工過程和使用中研究了延遲固“孔”封水工藝和長時間流態化封堵壓漿材料,保護地下水層,有效保護了地下水資源;五是油井鉆井技術應用的創新。在鉆探至2000米以下深度,將地質與石油等領域技術引入建筑采暖領域、消化并吸收至建筑采暖領域。
    相關技術比較
    在國內地熱能利用領域主要利用地源熱泵系統提取地下熱量,主要提取技術有抽水井式、地埋管式和單井抽灌式三種。抽水井式是在地上開鑿兩口以上水井,從其中一口井取出地下水進入機組放熱,在地下水溫度降低之后再回灌進入第二口井。這種方式主要應用在地下水源熱泵系統中,由于這種方式會破壞地下水的自然分布,對地質、建筑等帶來嚴重影響,并且會引起取水井塌陷和回水井堵塞、大大降低系統生命周期,因此近年來已被限制使用。地埋管式分為水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管等形式,對于水平式埋管系統,其優點是安裝費用比垂直式埋管系統低,應用廣泛,使用者易于掌握,但占地面積大,受地面溫度影響大,水泵耗電量大;對于垂直式埋管系統,其優點是占用土地面積小,管路及水泵用電少,已成為目前應用的主要方式。單井抽灌采集技術是一個以水為介質的密閉循環的熱量采集裝置,運行過程中沒有水資源消耗,對區域地下水狀態和地質結構影響較少,大大減少從能源開發到能源使用的過程投入,目前在地下水資源豐富的地區有較多應用。
    無干擾地熱供熱技術以其清潔、持續、可靠、可再生等諸多特點可為技術科技進步以及社會發展帶來以下深遠影響:
    (1)無干擾地熱供熱技術的大量推廣,將引發以無干擾地熱供熱技術為代表的新一代供熱技術等新能源開發利用的深入研究與探索,對促進我國新能源技術的發展以及地熱能這一行業的成熟化發展具有積極效果;
    (2)無干擾地熱供熱技術“取熱不取水”的特性,開創了一種全新的中深層地熱能供暖開發利用模式,這一創新引領中深層地熱能行業的可持續健康發展。
    (3)低碳、節能社會發展的主流趨勢,治污降霾成為一場全民環境保衛戰。無干擾地熱供熱技術因其零排放、可再生,可分布式的優勢特點,可大幅減少對燃煤、燃氣等一次性能源的消耗,減輕對傳統石化能源的依賴,加快推進這一創新技術的推廣與應用,對于優化能源結構、推進治污降霾、節能減排、保障改善人居環境、促進社會可持續發展具有重要意義。
    (4)隨著建筑節能綠色建筑日益被重視,公用建筑的節能改造范圍不斷擴大以及城鎮化戰略的不斷推進,地熱能等可再生能源利用技術在建筑應用市場得到了快速發展。無干擾地熱供熱技術的應用代表了未來能源開發利用的新方向,在城市建筑創造了一種分布式能源利用、供應和消費的新業態,將開啟城市和城鎮建筑供暖制冷方式的一場重大革命。
    (5)在大力轉變發展模式、發展低碳循環經濟的新形勢下,傳統的燃煤、燃氣鍋爐、地源熱泵等方式供熱已凸顯出其弊端。無干擾地熱供熱技術的成功研發與應用成為解決老百姓采暖的最佳新途徑。
    (6)產業化帶動作用強,該技術大力推廣可帶動管材和板材制造、換熱器制造、保溫材料制造、鉆機生產施工等上下游相關產業發展。 
    7、應用情況
    截止2020年12月,公司在陜西、北京、上海、山西、安徽金寨等全國多地以工程模式、運營模式及PPP運營模式等多種模式開展60余項無干擾地熱供熱示范項目,總面積約1000萬平方米。
    主要應用單位情況如下表:

    主要應用單位情況表
    序號單位名稱應用的技術應用對象及規模(MW)應用起止時間單位聯系人/電話
    1西安奧達房地產開發有限責任公司無干擾地熱供熱技術建筑供暖/3.8萬平方米2013師超13152199517
    2陜西灃西新城四季春供熱有限公司無干擾地熱供熱技術建筑供暖/8.6萬平方米2015馬寧13892952688
    3西安西北出版物物流基地有限公司無干擾地熱供熱技術建筑供暖/26萬平方米2015杜興13279282651
    4陜西省鴻業房地產開發公司無干擾地熱供熱技術建筑供暖/30.6萬平方米2016劉琛13259459675


     
    8、主要知識產權和標準規范

    序號知識產權類別知識產權
    具體名稱
    國家
    (地區)
    授權號授權日期證書編號權利人發明人
    1實用新型干熱巖單效溴化鋰吸收式熱泵供熱系統中國ZL201420365949.72014/11/193922568陜西四季春清潔熱源股份有限公司李建峰
    2實用新型干熱巖雙效溴化鋰吸收式熱泵供熱系統中國ZL201420365613.02014/11/193920379陜西四季春清潔熱源股份有限公司李建峰
    3實用新型深層干熱巖層地熱組合換熱系統中國ZL201420229928.22014/10/153850586李建峰李建峰
    4實用新型一種熱管式干熱巖換熱器中國ZL201520986455.52016/4/135134246陜西四季春清潔熱源股份有限公司李建峰
    5實用新型一種多U型管式干熱巖換熱器中國ZL201520986611.82016/4/135133027陜西四季春清潔熱源股份有限公司李建峰
    6實用新型一種U型管式干熱巖換熱器中國ZL20152986148.72016/11/25644212陜西四季春清潔熱源股份有限公司李建峰
    9、主要完成人情況
    排序完成人行政職務技術職稱工作單位完成單位對本項目的貢獻
    1李建峰總經理副高級工程師陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司技術發明人、研發帶頭人
    2李驥總工高級工程師中國建筑科學研究院總工陜西四季春清潔熱源股份有限公司理論研究
    3魏慶芃教師副教授清華大學清華大學節能研究
    4王灃浩教師教授西安交通大學陜西四季春清潔熱源股份有限公司數據監測
    5李兆副總經理
    陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司設備材料檢測把關
    6王連慶總經理助理
    陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司設備安裝及調試
    7熊同位總經理助理
    陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司核心技術研發
    8李曉樂設計部部長助理工程師陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司參與系統設計
    9楊浩

    陜西四季春清潔熱源股份有限公司陜西四季春清潔熱源股份有限公司機組運營維護

     
    10、主要完成單位及創新推廣貢獻

    排序完成單位對本項目的貢獻
    1陜西四季春清潔熱源股份有限公司創造性的研發了無干擾地熱供熱技術并成功的將其運用于工程實踐。包括2000米超長換熱器的研發、采用保護地下水資源的固孔(井)施工工藝和應用長時間流態化封堵壓漿材料、中深層地熱換熱器優化軟件的開發與傳熱模型的建立實測及矯正、高溫熱源熱泵的研發。在技術研發與應用試驗中提供包括技術研究、資金籌措、實施項目主體確定、設備機組、研發人員、工程項目組織設計與施工團隊以及整體實施方案,牽頭負責技術的研發、機組設備的研制、項目的應用等。
    2清華大學對已投入使用的項目進行現場調研與測試,從系統形式、控制策略以及能耗能效三個方面對測試項目在運行過程中存在的問題進行詳細分析和深入總結,根據具體問題提出系統能效提升的優化建議。
    3西安交通大學對無干擾地熱供熱示范工程進行了實際工程測試。通過分析現場測試數據得出系統COP值及單孔平均換熱量與套管換熱器長度的關系。

     
    11、完成人合作關系說明
    公司自成立以來便以技術研發為核心,不斷創新研發地熱能直接利用技術。經過多年的努力,公司研發隊伍不斷壯大,已經具有較強的研發力量,擁有一批長期從事系統設計、技術開發、售后服務及現場施工方面的資深技術人員。
    其中,總經理李建峰為技術負責人,在管理企業的同時,帶領技術團隊研發。
    1、基礎研究,由魏慶芃教授、王灃浩教授、李驥負責技術基礎研究與數據監測。
    2、研發部,由熊同位負責技術的難點攻關和新技術的研發。
    3、設計部,由李曉樂負責工程設計工作。
    4、采購部,由李兆負責設備的選型以及設備的檢測把關。
    5、工程部,由王連慶負責設備的安裝、調試以及售后服務工作。
    運行部,負責工程完工后機組的日常運行及維護工作。


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