0概述

熱泵技術(shù)是利用低品位熱能來實現(xiàn)供熱品質(zhì)的提升,為了獲得溫度更高且穩(wěn)定的低溫熱源,最直接的方法是增加取熱點深度。近年來,隨著勘探技術(shù)的發(fā)展和地下?lián)Q熱裝置的研發(fā),深層的地熱能逐漸被發(fā)掘。其中對于深度在2~3 km、巖層溫度70~1 00℃的這部分地熱應用前景最大。對于這部分中深層地熱能,如果能通過密閉換熱裝置從中取熱,在不破壞地下環(huán)境的前提下可以為熱泵提供溫度更高的低溫熱源,且基本不受氣候條件影響,可以保證熱泵機組長期、穩(wěn)定地高效運行。

1項目概況

該項目為河南鄭州某小區(qū)的住宅建筑,建設周期分為一期和二期,總建筑規(guī)模約為70萬m2,經(jīng)統(tǒng)計該小區(qū)供暖面積約為51萬m2,根據(jù)原設計資料, 一期、二期分設獨立換熱站,由各自熱網(wǎng)供給末端用戶,末端用戶為散熱器供暖。由于項目所在社區(qū)市政熱力條件缺乏,居民對采暖的需求強烈,為保證基本的民生要求,工程考慮采用中深層地熱采暖的方式為居民供熱。按照業(yè)主要求,新建能源站設置于小區(qū)西側(cè)外圍綠地內(nèi)。

工程的設計范圍包括室外取熱井、室外熱網(wǎng)、 供熱站內(nèi)的工藝及附屬設施設計。小區(qū)內(nèi)供熱管網(wǎng)位于地下一層區(qū)域且已敷設完成并在原鍋爐房內(nèi)起點處預留接口。鑒于此次供熱站為新建站,能源站供熱管網(wǎng)總管從能源站引出后接入小區(qū)供熱管網(wǎng)。

2負荷分析

2.1熱負荷

根據(jù)設計資料,項目按70%入住率的供熱負荷來進行設計,設計熱負荷約為1 2 495 kW,其中低區(qū)采暖負荷約7 820 kW,高區(qū)采暖負荷約4 675 kW。考慮到建設單位提供的用熱需求及周邊小區(qū)的實際用熱情況,此次設計提出負荷增長的需求,即按照 5年采暖接入率30%~70%爬坡考慮,第5年70% 達到規(guī)模來進行計算。根據(jù)原設計相關(guān)資料,供熱管網(wǎng)中低區(qū)最不利環(huán)路阻力損失為76 kPa,采暖供水管循環(huán)水泵出口處工作壓力為0.75 MPa;高區(qū)最不利環(huán)路阻力損失為64 kPa,采暖供水管循環(huán)水泵出口處工作壓力為1.30 MPa。

2.2全年供熱量

參照《民用建筑能耗標準》中對建筑耗熱量指標約束值和引導值的相關(guān)規(guī)定,鄭州地區(qū)約束值為0.2 GJ/m2·a,引導值為0.1 2 G J/m2·a,通過對類似工程的參考,該項目全年供熱耗熱量指標取0.2 GJ/m2·a。該項目供熱參數(shù)見表1。

3供熱分析

3.1地熱井形式

中深層地埋管供熱系統(tǒng)主要包括中深層地熱換熱系統(tǒng)、地熱熱泵系統(tǒng)、建筑室內(nèi)供熱系統(tǒng),傳統(tǒng)型地源熱泵系統(tǒng)中所包含的地下水系統(tǒng)以及地表水系統(tǒng)都屬于水熱型的基本范疇,該范疇內(nèi)的系統(tǒng)都受地質(zhì)條件因素的影響較大,需要建立在水源充足的地區(qū)。而深層地熱系統(tǒng)的熱源是地下幾千米深的高溫巖石——干熱巖,通過水與巖石之間的換熱來達到加熱水的目的,整個換熱過程中僅存在著能量的交換,從而避免例如地下水系統(tǒng)中所存在的與經(jīng)濟過度開采、地下水污染等環(huán)境問題。相對于取熱水+回灌技術(shù)利用形式,采用U型管間接取熱方式,通過與深層地熱的換熱,來提高水溫,不會對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響,具有較為廣闊的應用前景。因此,該項目推薦采用U型管間接取熱方式。項目地下?lián)Q熱系統(tǒng)準備鉆3組U型地熱井,小區(qū)供暖項目采取深層地熱井+水源熱泵機組+風冷熱泵提供熱源。地熱井井深2 700 m左右(以實際鉆井數(shù)據(jù)為準),每組井設計總循環(huán)水量40 m3/h,抽取的熱水出口溫度70℃,地熱尾水回水溫度9℃。

3.2供熱能力分析

參考周邊類似項目,該工程供熱主要采用中深層地熱,其余不足部分由空氣源熱泵提供。來自地熱井的70℃高溫水通過一級板式換熱器制取58℃的熱水后降溫至50℃,一級板換后的溫水通過二級板換后降溫至9℃返回地熱井進行重新加熱,二級板換的二次側(cè)循環(huán)制取1 5/7℃的溫水,溫水供熱泵機組蒸發(fā)端的冷卻使用,機組高溫側(cè)循環(huán)末端58/48℃的采暖熱水。末端總供熱量Q總由一級板換熱水Q1、熱泵機組供熱量Q2和風冷熱泵機組Q3共同負擔,即Q總=Q1+Q2+Q3,熱泵機組的供熱量可視為蒸發(fā)端的吸熱量和自身輸入功率之和。在該工程中,系統(tǒng)總供熱量為Q總=1 2 495 kW。系統(tǒng)的裝機原則為:熱源供應系統(tǒng)的供應能力>冬季最大連續(xù)采暖負荷。

地熱井供熱Q1

Q1=1 20 m3/h×(70℃—50℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)=2 790 kW;

水源熱泵機組供熱Q2(熱泵機組制熱性能系數(shù)取3.8)

Q2=1 20 m3/h×(50℃—9℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)/(1-1/COP)=7 765 kW

風冷熱泵機組供熱Q3

風冷熱泵提供地熱井供熱能力的不足部分,由Q總=Q1+Q2+Q3可知,Q3=Q總-Q1-Q2=1 2 495-2 790-7 765=1 940 kW該項目地熱井直接利用部分所提供的最大供熱量Q1+Q2約為1 0 555 kW,基本上能保證在60%入住率設計環(huán)境下的采暖熱需求,但是考慮到入住率的增長以及極端天氣下采暖熱需求,項目需考慮輔助熱源保證該項目冬季負荷不小于小區(qū)的需熱量。根據(jù)現(xiàn)場實際情況以及周邊項目的調(diào)研結(jié)果,選擇采用風冷熱泵作為補充熱源。鄭州低區(qū)冬季室外空調(diào)設計溫度為-6℃,風冷熱泵效率受環(huán)境影響較大,因此需設置在設計溫度下的供熱量大于Q3的設備。工程擬選擇1 4臺設計工況下制熱量為1 55 kW的風冷模塊化熱泵機組,外機安裝于室外屋面,水泵設置在能源站內(nèi),風冷熱泵可根據(jù)后期負荷增長情況分期安裝。

4系統(tǒng)流程

4.1系統(tǒng)流程

該工程地熱井通過深井泵抽取循環(huán)水,地熱井出水溫度70℃,熱水經(jīng)一級換熱器直接換熱,把48℃的用戶采暖回水加熱到設計溫度58℃,一級板換出水溫度為50℃;一級板換后的地熱尾水進入二次板換降溫,通過二級板換制取1 5/7℃的二次溫水,二次板換出水溫度暫定9℃。二次溫水通過熱泵機組后冷卻降溫,冷凝端將用戶48℃的回水提升至58℃再次循環(huán)。二次板換處理后的冷水回灌至地熱井進行重新加熱循環(huán)。風冷熱泵作為補充熱源,經(jīng)循環(huán)水泵提升后并聯(lián)至供熱系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)原理圖見圖1。

4.2主要設備參數(shù)

該工程高區(qū)、低區(qū)獨立供熱,系統(tǒng)主要供熱設備包括換熱設備、提溫設備、輸送設備及相應的輔機等。除室外循環(huán)泵外,一期二期其余設備配置完全相同,按兩套設計。

1)換熱設備

該工程換熱設備采用板式換熱器,與末端建筑高、低區(qū)供熱管網(wǎng)相對應,共分為一級板換和二級板換,設備參數(shù)見表2。

2)熱泵機組

對于二次溫水提升的水源熱泵系統(tǒng),設計熱負荷共為7 734 kW,此次針對高、低區(qū)的供熱相應分別選擇1臺和2臺熱泵機組;熱泵機組主要參數(shù)見表3,其中風冷熱泵選用超低溫型模塊化機組,并根據(jù)負荷增長情況分期安裝。

3)水泵

水泵作為主要提水設備,室外地熱井循環(huán)泵選

型原則是根據(jù)地熱水的水質(zhì)、水量、水溫、出水壓力,室內(nèi)部分依據(jù)工藝流程與管道布置進行計算。水泵的選型計算可參照相關(guān)技術(shù)資料。

4.3運行模式

該系統(tǒng)應以優(yōu)先利用地熱資源直供為首要控制目標,在部分負荷時,優(yōu)先采用板換機組供熱,并根據(jù)負荷的增長需求對應開啟相應的熱泵臺數(shù),當水源熱泵機組不能滿足供熱需求時開啟相應的風冷熱泵機組。熱水采用一次泵變流量系統(tǒng),與熱泵機組、換熱機組熱水二次側(cè)匹配的變頻泵,供回水總管設壓差旁通調(diào)節(jié)。項目供熱系統(tǒng)二次側(cè)采用量調(diào)節(jié)的運行方式。后續(xù)將結(jié)合廠區(qū)的實際使用情況,計算完善量調(diào)節(jié)時二級網(wǎng)供回水流量對應情況。

5結(jié)論與注意事項

1)該工程采用中深層地熱器作為建筑穩(wěn)定的供熱熱源,在系統(tǒng)中結(jié)合熱泵輔助可保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行。供暖技術(shù)熱源側(cè)采用封閉式換熱器,無需提取地下水,對地下水資源無影響。據(jù)統(tǒng)計,如果地埋管間距在50 m以上,經(jīng)過1個供暖季的取熱,地下土壤平均溫降小于2℃,在供暖季結(jié)束后4個月即可恢復,夏季無需額外補熱,保證熱泵系統(tǒng)長期高效地運行,很好地適應了建筑的用能特點。

2)由于該工程為已建住宅小區(qū),末端用戶采暖方式為散熱器取暖,末端供熱溫度達到58℃,經(jīng)運行模擬分析,70%的入住率下系統(tǒng)全年運行綜合效率COPa約為3.7,若按末端溫度為45℃設計時,系統(tǒng)全年運行綜合效率COPa可達到7以上。因此,地熱供暖項目應在前期規(guī)劃,供暖溫度應結(jié)合項目熱源使用情況進行綜合考慮,才能發(fā)揮地熱清潔供暖的高效、節(jié)能意義。

3)中深層地熱供熱技術(shù)應用應在對當?shù)?a href="http://www.rijz.cn/t/地熱資源勘察.html" >地熱資源勘察的基礎(chǔ)上進行技術(shù)經(jīng)濟分析,盡可能地對地熱資源充分利用,降低地熱尾水的回水溫度。該工程地熱尾水回灌溫度為9℃;如系統(tǒng)采用地下水取熱形式,應確保換熱后的地熱尾水回灌到同一含水層,且不得對地下水資源造成浪費和污染。