天津?yàn)I海新區(qū)淺層地溫能開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng)研究

摘要:該文以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，基于GIS等技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)的淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用模擬軟件，通過(guò)該軟件，可以進(jìn)行地溫信息查詢、地溫能利用前景預(yù)測(cè)、施工管理等功能。提出相應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用指導(dǎo)結(jié)果，以專業(yè)數(shù)據(jù)直觀化(即大眾化、可視化)輸出，為開(kāi)發(fā)利用方提供熱能情況及循環(huán)利用建議等，是適用于相關(guān)政府管理部門實(shí)施管理和相關(guān)開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)使用的工具。

關(guān)鍵詞:濱海新區(qū);淺層地溫能;GIS;水源熱泵;地源熱泵

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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

目前世界各國(guó)的礦物質(zhì)能源都在逐步減少甚至枯竭的時(shí)候，研究新能源開(kāi)發(fā)尤其重要。地?zé)峥照{(diào)是一種綠色環(huán)保的供暖技術(shù)。由于地源熱能空調(diào)省去了鍋爐房、冷卻塔、消煙除塵等設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)的中央熱時(shí)可得到4千瓦的熱能，能量輸入與輸出比達(dá)1比4;機(jī)組制冷時(shí)可得到5千瓦的制冷能量，能量輸入與輸出比達(dá)1比5。該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

地?zé)崾翘旖蚴械膬?yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源，天津地?zé)峥碧狡鸩皆?、利用?guī)模大、管理秩序好、技術(shù)水平高，是我國(guó)地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)綜合利用及管理工作領(lǐng)先的大城市。淺層地?zé)崮軣岜眉婢吖?jié)能與環(huán)保兩大特點(diǎn)，天津市濱海新區(qū)近地表低溫地?zé)豳Y源豐富，又是國(guó)家政策大力扶持的開(kāi)發(fā)區(qū)，隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，淺層地?zé)崮軐⒌玫胶艽蟪潭鹊陌l(fā)展。本軟件就是以濱海新區(qū)為對(duì)象，利用GIS技術(shù)，把工程施工設(shè)計(jì)與地形、地質(zhì)圖直觀的結(jié)合起來(lái)，根據(jù)建筑物的制冷、供熱需求建立地源熱泵系統(tǒng)或水源熱泵模擬系統(tǒng)。為該地區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮芴岢鼋ㄗh。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2005為開(kāi)發(fā)環(huán)境，Microsoft Office Access為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，在地形地質(zhì)顯示及讀取過(guò)程中，利用ArcGIS、ArcEngine圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)的。在淺層地溫能的地質(zhì)勘查、地溫場(chǎng)調(diào)查，建立淺層地溫能地質(zhì)構(gòu)造、地溫分布地質(zhì)模型后，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用模擬平臺(tái)，使之具有公眾及相關(guān)管理部門可視化查詢功能。

系統(tǒng)建立的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)濱海新區(qū)的數(shù)字化管理，采用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)地?zé)崂脜^(qū)圖件管理和地?zé)衢_(kāi)發(fā)分析，為地?zé)豳Y源管理和決策提供準(zhǔn)確、全面的信息技術(shù)支持，提高相關(guān)部門的管理工作效率。

1.1 功能模塊及流程圖

在軟件的編寫(xiě)期間，作者遵循了通用的軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將顯示界面與分析計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，大大增加了軟件的可讀性，為日后軟件的升級(jí)和維護(hù)打下了一定的基礎(chǔ)。圖1是本系統(tǒng)的功能模塊圖。

在地質(zhì)模型顯示模塊中，使用者可以選擇四個(gè)不同深度的地層的地?zé)嵝畔?，用以分別建模計(jì)算參數(shù);在地溫能開(kāi)發(fā)模擬模塊中，分為兩個(gè)部分:地源熱泵模擬系統(tǒng)和水源熱泵模擬系統(tǒng)。根據(jù)需要編寫(xiě)了計(jì)算制冷工況、供熱工況、管內(nèi)阻力損失和計(jì)算總地?zé)崮艹绦驂K。在各個(gè)界面中輸入相關(guān)參數(shù)后可以得到相應(yīng)的計(jì)算分析結(jié)果。水源熱泵模擬中我們關(guān)心是總的開(kāi)采量有多少，即總地?zé)崮堋?/p>

圖2是系統(tǒng)流程圖。

流程圖(圖2)給出了本程序的執(zhí)行過(guò)程圖解，表達(dá)了各個(gè)程序模塊間的關(guān)系。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2005為開(kāi)發(fā)環(huán)境，Microsoft Office Access為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，在地形地質(zhì)顯示及讀取過(guò)程中，利用ArcGIS、ArcEngine圖形庫(kù)，開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)。

2.1 地形顯示模塊

利用ArcEngine的axMapControl模塊顯示濱海新區(qū)的ArcGIS地形圖，在這里顯示天津?yàn)I海新區(qū)地形圖，不僅顯示地形地貌，還有天津地質(zhì)工作人員長(zhǎng)期勘探得到的天津?yàn)I海新區(qū)的地質(zhì)、水文、地溫信息。并利用鷹眼程序顯示圖形導(dǎo)航，在地溫能開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，我們最關(guān)心的是相關(guān)地區(qū)的地溫和水文信息，根據(jù)不同的需求，在下拉菜單中選擇要顯示的地形圖，如在地溫等值線中選擇50米等溫線圖、100米等溫線圖、150米等溫線圖、200米等溫線圖，在水溫水量圖中選擇Q1、Q2、Q3、Q4，實(shí)現(xiàn)圖形顯示后，使用者可以在axMapControl中選擇要開(kāi)發(fā)的區(qū)域，程序會(huì)自動(dòng)給出相關(guān)地質(zhì)的信息。如:地溫信息、水量信息、水溫信息，所選地形面積等。把這些信息導(dǎo)入到模擬系統(tǒng)中，就可以方便的了解該區(qū)域的淺層地溫能的可利用前景與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的大體規(guī)劃。

2.2 地溫能開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng)

2.2.1 地源型系統(tǒng)

通常的熱泵以大氣環(huán)境為其吸熱或放熱的熱源，大氣溫度的劇烈變化導(dǎo)致常規(guī)的熱泵效率低下，不僅消耗大量高質(zhì)能源，而且惡化了周圍的環(huán)境溫度，使得夏天更熱，冬天更冷。與常規(guī)熱泵不同，淺層地?zé)崮軣岜靡越乇韺油寥罏槠湮諢崃炕蚺欧艧崃康臒嵩础Ｔ诙?，地?zé)崮軣岜脧耐寥乐形崃?，供給熱泵的蒸發(fā)器，經(jīng)壓縮機(jī)提高溫度后，傳到熱泵的冷凝器，向房屋供熱;在夏天，地?zé)崮軣岜猛ㄟ^(guò)其蒸發(fā)器從房屋內(nèi)吸收熱量，經(jīng)壓縮機(jī)、冷凝器而排放到土壤中。因?yàn)橥寥罍囟热昊揪S持不變，熱泵系統(tǒng)的操作可以設(shè)計(jì)得十分精確，使得工作穩(wěn)定而高效。地溫能開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng)就是為地溫工程管理和設(shè)計(jì)部門提供一種指導(dǎo)或參考。下面是程序中所用的計(jì)算方法。

豎直地埋管換熱長(zhǎng)度的工程設(shè)計(jì)計(jì)算公式為:

制冷工況:

管內(nèi)阻力損失:

Pz=Py+Pj

Py=Pd×L

Pj=Pd×Lj

Pd=0.158×ρ0.75×μ0.25×di-1.25×V1.75

總地?zé)崮?

可鉆孔對(duì)數(shù)n=有效面積/5000 ㎡(因?yàn)樵谔旖驗(yàn)I海新區(qū)的地質(zhì)條件下，綜合地層地溫可開(kāi)采量與循環(huán)利用可靠性，適宜的鉆井對(duì)間距為50m，單井占地面積為50×50=2500㎡。一個(gè)對(duì)井占地面積為2500×2=5000㎡)。單孔地?zé)崮芘c對(duì)井?dāng)?shù)相乘即可得到總地?zé)崮堋?/p>

2.2.2水源型系統(tǒng)

水源型系統(tǒng)中，是通過(guò)地下水的恒溫性來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，水源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調(diào)冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來(lái)，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖;夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來(lái)，釋放到水體和地層中去。由于采用回灌技術(shù)，水源熱泵只取水中的能量而不消耗水源，并且基本做到水體或地層蓄能的年平均能量平衡，不會(huì)造成任何污染。本模擬系統(tǒng)中，對(duì)水源型系統(tǒng)做了地下可利用的總地溫能做了預(yù)測(cè)，在已知建筑所需的冷熱負(fù)荷前提下，在模擬系統(tǒng)中輸入單泵流量，出水溫度、回水溫度，對(duì)井?dāng)?shù)，即可計(jì)算總地?zé)崮?。根?jù)系統(tǒng)提供結(jié)果，我們可以知道需要打多少個(gè)對(duì)井能夠滿足建筑的冷熱負(fù)荷。計(jì)算水源型系統(tǒng)的總地溫能的公式為:

開(kāi)發(fā)管理部門可以在所選區(qū)域內(nèi)對(duì)水源型系統(tǒng)和地源型系統(tǒng)比較性能的差異，選擇合適的資源開(kāi)發(fā)類型，利用模擬系統(tǒng)給出的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行詳細(xì)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

“天津?yàn)I海新區(qū)淺層地溫能循環(huán)開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng)”是針對(duì)于天津?yàn)I海新區(qū)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的軟件。利用該軟件可以方便快捷地查詢?yōu)I海新區(qū)地溫特征，準(zhǔn)確地反應(yīng)地?zé)峥照{(diào)負(fù)荷需求與工程設(shè)計(jì)的關(guān)系。適用于相關(guān)政府管理部門實(shí)施管理和相關(guān)開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)使用。隨著淺層地溫利用技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬系統(tǒng)也將會(huì)隨之逐步完善。

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