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项目情况简介(省科技进步奖)

来源:陕西四季春清洁热源股份有限公司   时间:2021-04-07   访问量:2431

1、项目名称
无干扰地热供热技术 
2、主要完成人
李建峰;李骥;魏庆芃;王沣浩;李兆;王连庆;熊同位;李晓乐;杨浩
3、提名单位
西安市科技局
4、提名意见
    陕西四季春清洁热源股份有限公司于2013年研发成功的无干扰地热供热技术,并将其投入应用。截止2020年底,供暖面积超1000万平方米。无干扰地热供热技术具有不受资源条件限制、应用地域广、环境影响小、热源稳定、供热效果好等多项优点。特别是该技术采用密闭的管式换热器与地壳进行热交换,不抽取地下水,不需要尾水回灌,完全杜绝了对地下水的二次污染。
陕西四季春清洁热源股份有限公司自主研发无干扰地热供热技术通过对换热器内换热材料的不断优化选择,以及对采暖控制系统和钻井技术的不断改进,有效地提高了换热和热利用效率,降低了工程成本,从而率先在国内使用该技术达到了经济开发水平。
特推荐陕西四季春清洁热源股份有限公司无干扰地热供热技术申报陕西省科学技术进步一等奖。 
5、项目简介
立项背景
随着我国社会经济的快速发展,环境问题日益凸显,特别是我国冬季雾霾频发,成为严峻的社会问题,传统能源的粗放式发展之路已不可取,节能减排、清洁取暖势在必行。
“有深度就有温度”,地球内蕴藏的地热能十分丰富,地热能资源总量相当于全球资源总消耗量的45万倍。早在1970年地质部部长李四光先生就提出“地下是一个大热库,是人类开辟自然能源的一个新来源,就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”,“要将地下的热取出来,若是能只取热,不取水,那才算是迈进了地热能利用的大门”,传统地热能资源利用不论是地热发电还是水热型地热能资源利用方式,都与当地资源禀赋密切相关,成本高,难以大规模推广复制。因此,如何以最小的环境影响提取地热能资源,并且具有技术经济普遍适用性,成为地热能清洁利用的核心问题。
技术内容
无干扰地热供热技术(干热岩供热技术)是指通过钻机向地下一定深处高温岩层钻孔,在钻孔中安装一种密闭的套管换热器,通过换热器外表面与地下高温岩层的热传导作用,以及换热器内部传热介质流动将地下深处的热能导出,再通过地面处专用高效热泵设备和输配系统,向建筑物清洁供热的新技术。
这一技术的提出和工程实践,彻底打破传统地热能利用受到多方面限制的瓶颈,不再开采地热水,而是以“温度对口、梯级利用、密闭换热”的方式实现地热能资源更广泛、高效、经济、持续地利用。通过这一无干扰地热供热技术,将使得地热能的可利用程度变得“无穷大”、空间分布“无限广”,可以随时随地将地热能资源应用于任何行业和领域,因此具有革命性的意义,使得
地热能资源成为可以持续开发、替代化石能源的一种清洁能源。
技术经济指标:以无干扰地热供热技术为建筑物供热,系统性能系数达到7.8,比常规地源热泵系统效率高50%以上,一次能源利用效率比传统锅炉供热提高80%以上,项目投资内部收益率为10.03%,与燃煤锅炉比投资回收期(静态)约9.42年。
环境效益情况:与燃煤锅炉相比,如推广应用无干扰地热供热项目面积1000万平米,则每年可替代燃煤约19.2万吨,每年减少CO2排放量约50万吨,减少SO2排放量约1630吨,大规模推广应用在改善环境的同时,可充分带动投资,促进经济增长,为社会创造更多就业机会,并对带动上下游产业的发展,形成新的地热能产业发挥非常重要的作用 
6、客观评价
我公司研发的创新技术无干扰地热供热技术换热在密闭管路中循环进行,没有尾水及尾水回灌的问题,杜绝了尾水的环境污染、过度开采地下水资源甚至地面沉降等问题,具有不抽水、不用水,能保护地下水和地热水资源等优点。此外,干热岩深层地热能相比浅层地热能热源具有稳定、连续、利用效率高、蕴含能量较浅层地热多、温度也更高等优点,从而使得供热系统性能更好,节能效果更显著。干热岩深层地热资源存储量丰富,可开发潜力巨大,且地热能作为可再生能源,在全省乃至全国范围内开发利用好地热能资源,尤其是干热岩深层地热能资源,对缓解全省乃至全国能源紧张、环境及生态问题尤其在治污减霾方面具有重要的意义。
随着我国经济持续快速发展,能源需求不断增长,能源供应不足进一步显现,环境污染状况加剧,为了缓解能源对国家发展的制约,开发和利用新型清洁能源已迫在眉睫。
无干扰地热供热技术通过2000米以上超长套管换热器技术、高温热源热泵、延迟固“孔”封水工艺和长时间流态化封堵压浆材料、超长换热器传热模型的建立实测矫正和中深层地热换热器优化软件的开发等关键技术,实现了为地面建筑物提供持续稳定、绿色的热源。该技术是对传统地热利用的创新,首先是对地热能利用理论的创新,突破了传统的地源热泵和地热水利用技术的瓶颈,改变了传统意义上的地热概念;二是通过超长换热器(2-3km)的创新,解决了换热器的设计、安装、密封和承压问题,通过换热器的换热创造性的将中深层地热作为热泵的热源;三是凭借研制的中深层地热能换热机组,可接受高温热源,运行稳定,能效高,节能效果明显;四是对地下水保护的创新,在基于“取热不取水” 的指导原则下,施工过程和使用中研究了延迟固“孔”封水工艺和长时间流态化封堵压浆材料,保护地下水层,有效保护了地下水资源;五是油井钻井技术应用的创新。在钻探至2000米以下深度,将地质与石油等领域技术引入建筑采暖领域、消化并吸收至建筑采暖领域。
相关技术比较
在国内地热能利用领域主要利用地源热泵系统提取地下热量,主要提取技术有抽水井式、地埋管式和单井抽灌式三种。抽水井式是在地上开凿两口以上水井,从其中一口井取出地下水进入机组放热,在地下水温度降低之后再回灌进入第二口井。这种方式主要应用在地下水源热泵系统中,由于这种方式会破坏地下水的自然分布,对地质、建筑等带来严重影响,并且会引起取水井塌陷和回水井堵塞、大大降低系统生命周期,因此近年来已被限制使用。地埋管式分为水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管等形式,对于水平式埋管系统,其优点是安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握,但占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大;对于垂直式埋管系统,其优点是占用土地面积小,管路及水泵用电少,已成为目前应用的主要方式。单井抽灌采集技术是一个以水为介质的密闭循环的热量采集装置,运行过程中没有水资源消耗,对区域地下水状态和地质结构影响较少,大大减少从能源开发到能源使用的过程投入,目前在地下水资源丰富的地区有较多应用。
无干扰地热供热技术以其清洁、持续、可靠、可再生等诸多特点可为技术科技进步以及社会发展带来以下深远影响:
(1)无干扰地热供热技术的大量推广,将引发以无干扰地热供热技术为代表的新一代供热技术等新能源开发利用的深入研究与探索,对促进我国新能源技术的发展以及地热能这一行业的成熟化发展具有积极效果;
(2)无干扰地热供热技术“取热不取水”的特性,开创了一种全新的中深层地热能供暖开发利用模式,这一创新引领中深层地热能行业的可持续健康发展。
(3)低碳、节能社会发展的主流趋势,治污降霾成为一场全民环境保卫战。无干扰地热供热技术因其零排放、可再生,可分布式的优势特点,可大幅减少对燃煤、燃气等一次性能源的消耗,减轻对传统石化能源的依赖,加快推进这一创新技术的推广与应用,对于优化能源结构、推进治污降霾、节能减排、保障改善人居环境、促进社会可持续发展具有重要意义。
(4)随着建筑节能绿色建筑日益被重视,公用建筑的节能改造范围不断扩大以及城镇化战略的不断推进,地热能等可再生能源利用技术在建筑应用市场得到了快速发展。无干扰地热供热技术的应用代表了未来能源开发利用的新方向,在城市建筑创造了一种分布式能源利用、供应和消费的新业态,将开启城市和城镇建筑供暖制冷方式的一场重大革命。
(5)在大力转变发展模式、发展低碳循环经济的新形势下,传统的燃煤、燃气锅炉、地源热泵等方式供热已凸显出其弊端。无干扰地热供热技术的成功研发与应用成为解决老百姓采暖的最佳新途径。
(6)产业化带动作用强,该技术大力推广可带动管材和板材制造、换热器制造、保温材料制造、钻机生产施工等上下游相关产业发展。 
7、应用情况
截止2020年12月,公司在陕西、北京、上海、山西、安徽金寨等全国多地以工程模式、运营模式及PPP运营模式等多种模式开展60余项无干扰地热供热示范项目,总面积约1000万平方米。
主要应用单位情况如下表:

主要应用单位情况表
序号单位名称应用的技术应用对象及规模(MW)应用起止时间单位联系人/电话
1西安奥达房地产开发有限责任公司无干扰地热供热技术建筑供暖/3.8万平方米2013师超13152199517
2陕西沣西新城四季春供热有限公司无干扰地热供热技术建筑供暖/8.6万平方米2015马宁13892952688
3西安西北出版物物流基地有限公司无干扰地热供热技术建筑供暖/26万平方米2015杜兴13279282651
4陕西省鸿业房地产开发公司无干扰地热供热技术建筑供暖/30.6万平方米2016刘琛13259459675


 
8、主要知识产权和标准规范

序号知识产权类别知识产权
具体名称
国家
(地区)
授权号授权日期证书编号权利人发明人
1实用新型干热岩单效溴化锂吸收式热泵供热系统中国ZL201420365949.72014/11/193922568陕西四季春清洁热源股份有限公司李建峰
2实用新型干热岩双效溴化锂吸收式热泵供热系统中国ZL201420365613.02014/11/193920379陕西四季春清洁热源股份有限公司李建峰
3实用新型深层干热岩层地热组合换热系统中国ZL201420229928.22014/10/153850586李建峰李建峰
4实用新型一种热管式干热岩换热器中国ZL201520986455.52016/4/135134246陕西四季春清洁热源股份有限公司李建峰
5实用新型一种多U型管式干热岩换热器中国ZL201520986611.82016/4/135133027陕西四季春清洁热源股份有限公司李建峰
6实用新型一种U型管式干热岩换热器中国ZL20152986148.72016/11/25644212陕西四季春清洁热源股份有限公司李建峰
9、主要完成人情况
排序完成人行政职务技术职称工作单位完成单位对本项目的贡献
1李建峰总经理副高级工程师陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司技术发明人、研发带头人
2李骥总工高级工程师中国建筑科学研究院总工陕西四季春清洁热源股份有限公司理论研究
3魏庆芃教师副教授清华大学清华大学节能研究
4王沣浩教师教授西安交通大学陕西四季春清洁热源股份有限公司数据监测
5李兆副总经理
陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司设备材料检测把关
6王连庆总经理助理
陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司设备安装及调试
7熊同位总经理助理
陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司核心技术研发
8李晓乐设计部部长助理工程师陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司参与系统设计
9杨浩

陕西四季春清洁热源股份有限公司陕西四季春清洁热源股份有限公司机组运营维护

 
10、主要完成单位及创新推广贡献

排序完成单位对本项目的贡献
1陕西四季春清洁热源股份有限公司创造性的研发了无干扰地热供热技术并成功的将其运用于工程实践。包括2000米超长换热器的研发、采用保护地下水资源的固孔(井)施工工艺和应用长时间流态化封堵压浆材料、中深层地热换热器优化软件的开发与传热模型的建立实测及矫正、高温热源热泵的研发。在技术研发与应用试验中提供包括技术研究、资金筹措、实施项目主体确定、设备机组、研发人员、工程项目组织设计与施工团队以及整体实施方案,牵头负责技术的研发、机组设备的研制、项目的应用等。
2清华大学对已投入使用的项目进行现场调研与测试,从系统形式、控制策略以及能耗能效三个方面对测试项目在运行过程中存在的问题进行详细分析和深入总结,根据具体问题提出系统能效提升的优化建议。
3西安交通大学对无干扰地热供热示范工程进行了实际工程测试。通过分析现场测试数据得出系统COP值及单孔平均换热量与套管换热器长度的关系。

 
11、完成人合作关系说明
公司自成立以来便以技术研发为核心,不断创新研发地热能直接利用技术。经过多年的努力,公司研发队伍不断壮大,已经具有较强的研发力量,拥有一批长期从事系统设计、技术开发、售后服务及现场施工方面的资深技术人员。
其中,总经理李建峰为技术负责人,在管理企业的同时,带领技术团队研发。
1、基础研究,由魏庆芃教授、王沣浩教授、李骥负责技术基础研究与数据监测。
2、研发部,由熊同位负责技术的难点攻关和新技术的研发。
3、设计部,由李晓乐负责工程设计工作。
4、采购部,由李兆负责设备的选型以及设备的检测把关。
5、工程部,由王连庆负责设备的安装、调试以及售后服务工作。
运行部,负责工程完工后机组的日常运行及维护工作。


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