地热能的非电利用：不仅仅是发电

地热发电固然是开发地热能的重要方面，但是地热能的非电利用也是极其重要的。一方面是因为地热发电所要求的地热能是高热焓的，但是地球上许多地区只有中温或低温地热资源；另一方面是地热能的非电利用能更充分地利用地下热能。地热发电所产生的电功率可用下式求得：

We＝QW＝Q[(H-Ho)-T0(S-S0)]

式中：Q是地热发电所需的地热流体量，W是地热流体的可用功，（H-Ho）项是地热流体的总热量（焓值），T0（S-S0）项是表示在可逆过程中不能转换成功的热能（熵值）。T0表示环境温度，H、S分别表示某状态下流体的焓和熵，Ho、S0为标准状态下该流体的焓和熵。地热能的非电利用情况则不一样，一般它无须把热能转换成机械功，仅是要求热量的交换。如果进入利用系统的地热流体的焓为H，排出的流体的焓为Hex，单位时间内所要求的热流体的量为Q，则所输出的热功率Wt为：

Wt＝Q(H-Hex)

也就是说，该系统所需的热能量等于所要求的地热流体的量乘以地热流体的显热。因此，当We与Wt的量值相同时，其质并不相同，相差可达一个量级。

地热能非电利用的范围很广，既可以用于工业，又可以用于农业，还可以用于区域采暖，更可以用于医疗洗浴业，这取决于地热流体的温度水平。现在把各种地热非电利用所需要的地热流体的温度表示如下：

180℃：高浓溶液的蒸发，氨吸收式制冷，硫酸盐造纸浆工艺

170℃：硫化氢法生产重水，含硅藻土淤泥干燥

160℃：鱼类干燥，木材干燥

150℃：拜尔法生产的铝土干燥

140℃：高速率干燥农产品，制造食品罐头

130℃：糖在精制过程中的蒸发，蒸发法和结晶法提取盐

120℃：蒸馏法生产淡水，大多数多效蒸发，浓缩含盐溶液

110℃：干燥和养护轻质混凝土预制板

100℃：干燥有机物（海菜、牧草和蔬菜），洗涤干燥羊毛

90℃：干燥鱼干，强化融水

80℃：建筑物供热，空间加热温室(www.xing528.com)

70℃：制冷的温度下限

60℃：动物饲养，温室以及温床加热

50℃：种植蘑菇，矿泉治疗

40℃：土壤加热

30℃：游泳池，生物降解，发酵，供寒带全年采矿用温水，防冻

20℃：鱼子孵化，养鱼

根据2010年的统计，全世界地热直接利用的总设备能力为50583MWt（兆瓦热功率），利用的国家共78个。表3-4是地热直接利用排名前15位的国家的情况。

表3-4　地热直接利用排名前15位的国家

根据2010年世界地热大会的资料，具有地热直接利用的78个国家，它们的总设备能力为50583MWt，年利用热量总和为121696GWh/a。而表3-4所列15个国家，其设备能力的和为44621MWt，占总设备能力的88%；15个国家的年利用热量为103229GWh/a，约为年利用热量总和的85%。

大会资料还提及：地热直接利用设备能力达到100MWt的国家，1985年时为11个，1990年增加到14个，1995年为15个，2000年为23个，2005年为33个，2010年为36个。专家还认为，按人口，平均MWt最多的5个国家是：冰岛、瑞典、挪威、新西兰、瑞士；按国家面积，平均MWt最多的5个国家是：丹麦、荷兰、冰岛、瑞士、匈牙利。如果从每年热利用量（TJ/a）考虑，按人口，平均最多的5个国家是：冰岛、挪威、瑞典、丹麦、瑞士；按国家面积，平均最多的5个国家是：荷兰、瑞士、冰岛、挪威、瑞典。由此可看出，北欧诸国加上荷兰、瑞士是在地热直接利用方面比较先进的国家。

表3-5　1995—2010年各种地热直接利用类型的变化

表3-5可以看出地热直接利用的方方面面和发展变化。在地热直接利用的早期，洗浴（包括医疗、疗养）方面所耗能量是最高的。而其他方面的应用包括区域供热、农业利用和工业利用诸方面。一般来说，工业利用要求的温度较高，但是用途很广，可以用于烘干和蒸馏过程，也可以用于简单的工艺加热或制冷，或者用于各种采矿和原材料处理过程中的加温和去冰。在某些情况下，地热流体本身也是一种有用的原料。某些热水中含有多种盐类和其他有价值的化学物质，可以从中提取硼酸、碳酸铵和硫黄，从天然蒸汽中还可以提取某些有工业用途的气体，如CO2、H2S、H2和少量甲烷、氮、铵和氩等。

农业利用要求的地热流体温度不高，一般低于100℃，高于20℃。地热可以用于建立地热温室、加温土壤、动物饲养、养鱼和农产品干燥诸方面。地热温室在地热直接利用的早期所占的份额还是比较高的。

地热能用于区域采暖是很诱人的。冰岛是这个领域的创始国，因为它地处寒带，一年有330～340天需要取暖，但本国又缺乏矿物燃料资源，而地热资源却十分丰富。20世纪初，地热能第一次试用于冰岛单独的农村房屋的取暖。1928年，冰岛首都雷克雅未克附近钻出了热水，把它用来供给70间住房、一个室外游泳池、一个室内游泳池、一个学校的校舍。到1969年年底，冰岛全国40%的人口（8万人）居住在用地热供热的房屋中。区域空间加热更通俗的说法是“采暖”，其装机容量与年利用热量过去与洗浴不相伯仲。但是随着浅层地热能的利用，近年来采暖用的装机容量所占份额逐年下降。

浅层地热能也称浅层地温能，它是位于常温层以下，蕴藏在浅层岩土体和地下水中的低温地热资源。它是指在我国当前的技术经济条件下，地层恒温带至地表以下200米以内具备开发利用价值的地热能。浅层地热能因其品位不高（通常温度在7℃～25℃），不能直接用来供暖和制冷，但是随着热泵技术和设备的进步与完善，浅层地热能的采集、提升和利用已成为现实。这种技术称为“地源热泵”（Ground Source Heat Pump或Geothermal Heat Pump）技术。所谓热泵，通俗的说法就是利用电能转换为热能，就像水泵是利用电能来抬高水位一样。所谓地源热泵，是一种通过电能，利用地下浅层地热资源用于供暖或制冷的高效节能空调系统。夏季运行时，热泵机组的蒸发器吸收建筑物内的热量，达到制冷的作用，同时冷凝器通过与地下水的热交换，将热量排入地下；冬季运行时，热泵机组的蒸发器吸收地下水的热量作为热源，通过热泵循环，由冷凝器提供热水给建筑物室内采暖，通过少量高位电能的输入，实现低位能向高位能转移。早在1912年，瑞士的Zoelly首次提出利用浅层地热能作为热泵系统的低温热源，并为此申请专利。美国第一台地热源泵是1946年在俄勒冈州波特兰市联邦大厦安装的，到1995年估计全美国有25000台到40000台，并以每年25%的速度增长，到2000年时可能会达到40万台，预计2010年总装机量可达150万台。但是地源热泵是需要用电能来换取热能，在电能还不够发达的发展中国家是很难得到发展的。地热源泵真正意义上的商业应用只有近几十年的历史。根据汪集旸等2005年提供的数据，在2000年世界上主要利用地热源泵的27个国家中属于亚洲国家的只有一个半，即日本和土耳其（它因地跨亚欧大陆，所以算半个），美洲有美国和加拿大，大洋洲则是澳大利亚，其余22个半全是欧洲国家。它们安装的当量台数（以12kW为一台计）为572949台，其中美国为400000台，占总数的70%。之后依次为瑞士（41667台）、瑞典（31417台）、加拿大（30000台）、德国和奥地利，其余国家都少于1万台。浅层地热能的利用得到地热界的承认是20世纪90年代的事，在1995年意大利佛罗伦萨世界地热大会上出现了几篇有关地热源泵的文章，并归类于“直接利用”栏内。自1995年以来，地热源泵的装机容量和年利用热量在“直接利用”中的份额逐年增长，到2010年已分别达到70%和49%。地热源泵的利用目前似乎已成为地热直接利用的宠儿。