高溫水源熱泵在地熱供暖中的應用

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　一、地熱基本知識及我國地熱的發(fā)展與現狀

　　地熱通常是陸地地表5000m深度內的熱能。據推算，地核內部的溫度達2000～5000℃，而地幔的溫度達1000～2000℃。因此，在地球的最外層——地殼中蘊藏著巨大的熱水庫。地熱水并不是地殼內天然存在的，而是地面上的雨水沿巖石、土壤的縫隙深入地殼深處，這些水被周圍的熱巖所加熱。如果地殼深處有較大的空隙層，就可能形成具有開采價值地熱水層[1].而目前開采和利用最多的地熱能即是地熱水。根據地熱水溫度的不同，地熱水可分為：低溫水（t<140℃）、中溫水（t=40～60℃）和高溫水（t=60～100℃）、過熱水（t>100℃）[2].我國地熱資源總量98%以上是低溫地熱資源。目前，我國眾多的低溫地熱資源主要是直接利用于洗浴、采暖、種植、養(yǎng)殖、醫(yī)療、娛樂等方面。雖然全國直接利用總量已達到2410MW，居世界各國前列[3]，但利用水平和效率比較低，對于25℃～50℃溫度段的能量利用率很差。為實現可持續(xù)發(fā)展目標，國家制定了“十五能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”：要求調整能源結構，減少燃煤造成的污染，大力發(fā)展新能源可再生能源的利用技術，其中提到要開發(fā)地熱熱泵技術，以充分利用地熱資源。

　　地熱作為一種清潔能源用于采暖，在我國北方城市發(fā)展迅速，目前天津市地熱供暖面積就達800多萬平方米，至2003年底可達1000萬平方米，位居全國前列。北京市地熱供暖面積也達120萬平方米[4].但目前地熱供暖主要有三個突出的問題：

　?。ㄒ唬┑責崴┡笪菜欧潘疁乇容^高，一般在40℃以上，造成了資源的浪費。

　?。ǘ┯幸恍┑責崽飳俚蜏氐責崽?，地熱水溫度低于55℃，能量品位低，不能直接為暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)供暖。

　?。ㄈ┑責崴┡笪菜欧潘疁乇容^高，造成熱污染，不符合環(huán)保的要求。

　　二、全新的地熱、高溫水源熱泵的供暖方案

　　由北京市科委立項，清華大學熱能系和北京清源世紀科技有限公司共同研制開發(fā)出的QYHP系列的高溫水源熱泵機組，采用最新研制的高溫環(huán)保工質HTR01，解決了傳統(tǒng)工質高溫工況下工作壓力過高的技術瓶頸，保證了設備在高溫工況下運行的安全可靠，從根本上解決了上述地熱供暖中的三個主要問題。

　　QYHP系列高溫水源熱泵可直接把30-60℃的低溫地熱水加熱到70-90℃，適用于各種供暖方式，解決了高寒地區(qū)的地熱熱泵供暖以及用高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐仍可利用暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)的采暖改造問題。被利用后的地熱尾水排水溫度最低可低于10℃，符合環(huán)保的要求。制熱工況COP可達到3.5以上，也就是說，花費一份代價，可以得到3.5倍以上的熱量。

　　用高溫水源熱泵機組對低溫地熱水進行余熱回收，可加大地熱井的供暖能力，使一口地熱井起到兩口地熱井的作用，能產生出良好的經濟效益。舉北京市為例：北京城區(qū)和小湯山地區(qū)已有地熱采暖工程16處，年開采利用地熱水285.9萬立方米，采暖面積約38萬平方米，如果利用熱泵技術將40℃尾水降至10℃再排放，那么從目前每年排放的286萬立方地熱尾水中可回收熱量為3.5萬千瓦，可擴大供暖面積90萬平方米，節(jié)能及環(huán)境效益十分明顯。

　　三、項目簡介

　　北京某工程項目：一期建設共有19000平方米的大學生公寓，約4200平方米的公建（會所），大學生公寓采用暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)供暖，會所采用中央空調系統(tǒng)，冬夏兩用?，F有地熱井一口：井深為3800米、日出水量為1054t/d（44t/h）、出水溫度為57℃。

　　該井所出57℃低溫地熱水可直接給采用中央空調系統(tǒng)的會所供暖。但該低溫地熱水要用于大學生公寓的暖氣片熱水式循環(huán)熱力系統(tǒng)供暖，需進一步加熱，將水溫提高到70℃以上。如采用傳統(tǒng)燃煤、燃油、燃氣鍋爐加熱方式，供暖后的排放水溫仍將在40℃以上，無法解決資源的浪費和環(huán)境熱污染的問題。

　　應用QYHP系列高溫水源熱泵機組，可輸出70℃以上的二次熱水，能在末端為暖氣片的用戶進行供暖。被利用后的地熱尾水排水溫度最低可低于10℃，將低溫地熱水的能量充分利用，同時熱泵機組還可免費制取生活熱水及為會所提供夏季制冷。真正實現一機多用、經濟環(huán)保、高效節(jié)能。

　　四、負荷計算

　　1、空調室外計算參數（北京地區(qū)）

　　2、空調室內計算參數

　　冬季室內設計溫度t=18－22℃，室內相對濕度φ≤55%

　　夏季室內設計溫度t=22－26℃，室內相對濕度φ≤60%

　　3、負荷計算

　　冬季供暖工況：

　　取面積熱指標：q = 60 W/㎡.

　　供暖總建筑面積：F = 19000+4200=23200㎡

　　冬季總熱負荷：Q = q × F = 60×23200=1392kW

　　其中大學生公寓熱負荷：1140kW

　　會所熱負荷：252kW

　　夏季制冷工況：

　　取面積冷指標：q = 110 W/㎡、

　　制冷總建筑面積：F = 4200㎡

　　則夏季總冷負荷：Q = q × F = 110×4200=462kW

　　五、工藝方案

　　冬季工況：利用57℃地熱水進行供暖，采用梯級利用的方式進行。

　　第一級：應用板式換熱器輸出55℃熱水為高檔公寓部分供暖，地熱尾水溫度降為52℃左右；地熱水間供可提供256KW的熱量，可滿足會所冬季供暖252kW最大熱負荷的需求。

　　第二級：應用1臺QYHP600H高溫水源熱泵機組對52℃地熱尾水進行余熱回收，輸出75℃二次水對大學生公寓進行供暖。

　　第三級：應用1臺QYHP600H高溫水源熱泵機組對36℃左右的地熱尾水進行余熱回收，輸出75℃二次水對大學生公寓進行供暖，地熱尾水溫度18℃，符合排放標準。

　　兩臺QYHP600H高溫水源熱泵機組共可輸出1248KW的熱量，可滿足大學生公寓冬季供暖1140kW最大熱負荷的需求。

　　夏季工況：QYHP600H型高溫水源熱泵機組單機額定制冷功率為325KW，兩臺合計為650KW，可滿足4200㎡高檔建筑共462 KW的夏季冷負荷的需求。

　　六、經濟性比較

　　高溫水源熱泵除具有環(huán)保的特點外，更具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，下面將利用各種余熱資源采用高溫水源熱泵的供暖方式同現行的各種供暖方式就運行成本、一次性投資依據基礎數據作分析比較如下：

　　七、方案優(yōu)點

　　1、余熱利用、經濟節(jié)能

　　采用高溫水源熱泵機組可直接回收利用低溫地熱水、地熱尾水、含油污水及其它各種溫度在30～60℃之間的中低品位余熱資源，從根本上解決了此類余熱資源不能被熱泵機組直接回收利用的現狀。機組制熱工況出水溫度可根據用戶需求調節(jié)，最高出水溫度可達90℃，可滿足不同用戶的空調、供暖、制備生活熱水的需求，低溫地熱水+高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐進行冬季供暖無須改造供暖末端及現有供暖管網，從而使現有資源得到了最合理的利用。

　　2、綠色環(huán)保、效益顯著

　　采用地熱水+高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐可取得很好的環(huán)保效應和經濟效應，避免了燃煤鍋爐的廢氣、廢渣對周圍環(huán)境的污染，省掉了燃煤的運輸費用、貯煤場地費用、除塵費用、灰渣的運輸處理費用等。同時解決了低溫地熱水或地熱尾水排放后對環(huán)境造成的熱污染的問題，經此方案后，地熱水的溫度只有18℃左右遠低于國家規(guī)定的小于30℃的標準。

　　3、一機多用，節(jié)約資金

　　在該項目中，利用高溫水源熱泵提供冬季供暖的同時，還可提供夏季制冷，從而避免了中央空調系統(tǒng)的重復投資。

　　4、性能穩(wěn)定、安全可靠

　　水源熱泵運行自動化程度高，運行人員少，無壓力容器存在，安全性好。地下水溫度穩(wěn)定，水源熱泵供熱為連續(xù)供熱，溫度恒定，人體的舒適感好。