地源热泵机组在供暖系统中的应用

　[摘要]针对目前地热供暖应用的现状，介绍了一种全新的地热+高温水源热泵的供暖方案。在比较了各种常规的供暖模式的经济及环保效益的同时，为低温地热水、地热尾水中低品位余热水资源提供了一种高效、合理的利用途径。
[关键词]水源热 泵地热  供暖地热  尾水节能环保
中国分类号：TK-9 文献标识码：A   文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02

　　一、概述
　　某干休所共有建筑面积6万平方米，为满足冬季供热及生活热水的需求，建设方拟采用地热井水+水源热泵技术联合供暖方式为住宅小区冬季采暖提供热源，根据当地的地质结构及有关技术资料，现计划打地热井1口（井深3800米），单井出水量55T/h，温度90℃。综合考虑初投资及运行费用，并本着最大限度利用地热水资源的原则，拟定采暖方式为：用地热水给小区一次供暖，供热后的尾水由水源热泵进行能量提升为采暖系统再次供热，从而降低尾水排放温度适合生活用热水要求，最大限度的利用水资源。从长期运行的角度出发，对该方案的节能效益进行以下技术经济分析。
　　2、热泵技术原理
　　热泵是一种能从自然界的空气、水或者土壤中获取低品位热量，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备。热泵可以把消耗的高品位电能转换为3倍甚至3倍以上的热能，是一种高效供能技术。本文所要叙述的热泵系统是利用水源热泵机组从中低温水中吸收热量供采暖用热，可以实现能源的二次利用，大大提高能源利用率，节约地热水的用量，是一条变废为宝的节能途径。
由于热泵是取之自然界中的能量，效率高，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济的能源方式。在资源越来越匮乏的今天，作为人类利用低温热能的最先进方式，热泵技术已在全世界范围内受到广泛关注和重视。在我国热泵技术是国家重点推广的能源技术之一，目前在国内已经获得了广泛的应用。
二、技术方案
　　小区建筑冬季采暖热负荷为3000KW，生活热水负荷为1200KW。采暖末端使用地幅热，因此要求供水温度为55℃，回水温度为45℃。
　　本系统中，地热井出来的90℃、55T/h的地热水由除砂器处理后，经过供暖一级板式换热器和生活热水换热器换热后的水温降为46℃；再经过采暖二级板式换热器换热后出水温度降为20℃排出。活塞式水源热泵机组水源侧进水温度为16℃，出水温度为9℃，机组用户侧供回水温度为55℃/45℃。为了提高本供热系统的经济性，尽可能多的利用地热水的温度，降低地热尾水的排放温度是充分利用地热水资源的关键。通过水源热泵系统能量提升,达到充分利用废热为本采暖系统提供补充热量的目的。
　　水源热泵系统可提供的生活热水温度为55℃，接至保温水箱中，通过管路送到各用户。
　　地热水及尾水可提供的热量为：
　（1）冬季保证生活热水需用地热水量为25t/h，1.163x(90-46)x25=1279Kw。地热供水90℃，尾水46℃。
　　（2）剩余采暖用地热水量为30t/h，地热水一级全部用采暖可提供的热量为：Q1=1.163×（90-46）×30=1535Kw。地热供水90℃，尾水46℃。
　　（3）生活热水用热尾水和采暖一级板式换热器尾水温度均为46℃，水量共为55t/h。这些水供二级水源热泵系统，可从地热尾水中吸收的热量为：Q2=1.163×55×（46-20）=1663KW。进水46℃，排水20℃。
　　（4）热泵驱动压缩机电能转换为热能约为（COP≈3.75）：N=Q2÷（3.75-1）=604.7KW。
　　（5）地热梯级利用总制热量：
　　Q3=Q2+N=1663+604.7=2267.7KW。
　　（6）地热水采暖一级利用可提热量为1535KW，地热尾水+水源热泵可提供采暖热量为2267.7KW，可提供的总采暖热量为：3802.7KW。
　　根据以上参数分析，本系统可完全满足小区冬季采暖及生活热水的需求。采用水源热泵系统，可将地热尾水降至20℃，利用地热水温度70℃。由于冬季各时间段室外气象温度不同，水源热泵系统主机可根据回水温度高低自动启停。
　　三、经济性比较
　　水源热泵除具有环保的特点外，更具有明显的节能优势，下面将利用余热资源采用水源热泵的供暖方式同现行的各种供暖方式就运行成本、一次性投资依据基础数据作分析比较如下：
　　说明：
　　1、电价0.5元/（KW.h）、低谷电价0.2元/（KW.h），每日低谷电价运行8小时、天然气价1.98元/m3、煤价600元/t、自来水3.2元/t、燃油7.0元/L。
　　2、单位建筑面积热负荷：设备选型按60W/㎡，实际运行按31.82W/㎡计取（系统24小时不间断运行的全年平均值），采暖系统运行按120天/年。
　　3、燃料燃烧值按国家标准计取，燃煤锅炉效率η取0.75，燃气锅炉效率η取0.90，燃油锅炉效率η取0.90，电锅炉效率η取0.95，水源热泵机组COP=3.75。
　　4、运行费只计主要设备的燃料费，未计入管理费、燃煤锅炉大修费等。
　　通过上表我们可以看到应用水源热泵的运行费用最低，和燃煤锅炉相比还有着巨大的潜在经济效益：锅炉维护人员减少，节省人工费用；不存在锅炉大修费用；省掉了煤场占地灰渣场占地的场地费用、排渣费用；锅炉房对景观的破坏、锅炉烟气对环境造成的污染等等环保方面的效益。
　　四、方案特点
　　1、余热利用、经济节能
　　采用高温水源热泵机组可直接回收利用地热尾水中低品位余热资源，从根本上解决了尾水余热资源不能被热泵机组直接回收利用的现状。机组制热工况出水温度可根据用户需求调节，可满足不同冬季不同阶段供暖及制备生活热水的需求，低温地热水+高温水源热泵取代燃煤、燃气锅炉进行冬季供暖无须改造供暖末端及现有供暖管网，从而使现有资源得到了最合理的利用。
　　2、绿色环保、效益显著
　　采用地热水加高温水源热泵取代燃煤锅炉可取得很好的环保效应和经济效应，避免了燃煤锅炉的废气废渣对周围环境的污染，省掉了燃煤的运输费用、贮煤场地费用、除尘费用、灰渣的运输处理费用等。同时解决了低温地热水或地热尾水排放后对环境造成的热污染的问题，经此方案后，地热水的温度只有20℃左右远低于国家规定的小于30℃的标准。
　　3、性能稳定、安全可靠
　　水源热泵运行自动化程度高，运行人员少，机组噪音很小，安全性高。地下水温度稳定，使得热泵机组运行更可靠、平稳，供热为连续供热，温度恒定，人体的舒适感好。
　　四、结束语
　　根据地质勘察报告显示，本项目所在地地热水资源充足，在设计流量下可以保证长期取用。本项目在不使用热泵的情况下，采暖需用地热水将达到60t/h，使用热泵后节省地热水50%，并增加热量20%,可保证冬季出现当地极端低温下的采暖负荷。上述参数计算均取的设计用热负荷最大值，采暖期如果采取合理有效的调节措施，地下水取用量还将减少。这样就在保证用热的同时尽量减少了地下水的取用，更经济环保。
　　在后期的使用过程中如果能采取有效的地热尾水回灌技术，那么本系统的经济环保性及长期稳定实用性的优点将尤为明显。
　　参考文献：
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　　[3]谢栋辉，李文伟.北京奥运公园应用地热供暖的可行性北京地热国际研讨会论文集.北京：2002年10月.
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