高温水源热泵在地热供暖中的应用

尤晶 ，董明，刘德歧 （北京清源世纪科技有限公司，北京 100055）
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、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的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：高温水源热泵；地热供暖；地热尾水；节能；环保
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一、地热热泵的发展与现状
我国地热资源总量98%以上是低温地热资源。目前，我国众多的低温地热资源主要是直接利用于洗浴、采暖、种植、养殖、医疗、娱乐等方面。虽然全国直接利用总量已达到2410MW，居世界各国前列 1 ，但利用水平和效率比较低，对于25℃～50℃温度段的能量利用率很差。为实现可持续发展目标，国家制定了“十五能源发展战略规划”：要求调整能源结构，减少燃煤造成的污染，大力发展新能源可再生能源的利用技术，其中提到要开发地热热泵技术，以充分利用地热资源。
地热作为一种清洁能源用于采暖，在我国北方城市发展迅速，目前天津市地热供暖面积就达800多万平方米，至2003年底可达1000万平方米，位居全国前列。北京市地热供暖面积也达38万平方米 2 。目前地热供暖主要有三个突出的问题：
（一）、地热水供暖后尾水排放水温比较高，一般在40℃以上，造成了资源的浪费。
（二）、有一些地热田属低温地热田，地热水温度低于55℃，能量品位低，不能直接为暖气片热水式热力循环系统供暖。
（三）、地热水供暖后尾水排放水温比较高，造成热污染，不符合环保的要求。
由北京市科委立项，清华大学热能系和北京清源世纪科技有限公司共同研制开发出的QYHP系列的高温水源热泵机组，采用最新研制的高温环保工质HTR01,解决了传统工质高温工况下工作压力过高的技术瓶颈，保证了设备在高温工况下运行的安全可靠，从根本上解决了上述地热供暖中的三个主要问题。

QYHP系列高温水源热泵可直接把30-60℃的低温地热水加热到70-90℃，适用于各种供暖方式，解决了高寒地区的地热热泵供暖以及用高温水源热泵取代燃煤锅炉仍可利用暖气片热水式热力循环系统的采暖改造问题。被利用后的地热尾水排水温度最低可低于10℃，符合环保的要求。制热工况COP可达到3.5以上，也就是说，花费一份代价，可以得到3.5倍以上的热量。

用高温水源热泵机组对低温地热水进行余热回收，可加大地热井的供暖能力，使一口地热井起到两口地热井的作用，能产生出良好的经济效益。举北京市为例：北京城区和小汤山地区已有地热采暖工程16处，年开采利用地热水285.9万立方米，采暖面积约38万平方米，如果利用热泵技术将40℃尾水降至10℃再排放，那么从目前每年排放的286万立方地热尾水中可回收热量为3.5万千瓦，扩大供暖面积90万平方米，节能及环境效益十分明显。

二、项目简介
北京某工程项目：一期建设共有19000平方米的大学生公寓，约4200平方米的公建（会所），大学生公寓采用暖气片热水式热力循环系统供暖，会所采用中央空调系统，冬夏两用。现有地热井一口：井深为3800米、日出水量为1054t/d（44t/h）、出水温度为57℃。

该井所出57℃低温地热水可直接给采用中央空调系统的会所供暖。该低温地热水要用于大学生公寓的暖气片热水式循环热力系统供暖，需进一步加热，将水温提高到70℃以上。如采用传统燃煤、燃油、燃气锅炉加热方式，供暖后的排放水温仍将在40℃以上，无法解决资源的浪费和环境热污染的问题。

应用QYHP系列高温水源热泵机组，可输出70℃以上的二次热水，能为末端为暖气片的用户进行供暖。被利用后的地热尾水排水温度最低可低于10℃，将低温地热水的能量充分利用，同时热泵机组还可免费制取生活热水及为会所提供夏季制冷。真正实现一机多用、经济环保、高效节能。
三、负荷计算
1、空调室外计算参数

2、空调室内计算参数
冬季室内设计温度t=18--22℃，室内相对湿度φ≤55%
夏季室内设计温度t=22--26℃，室内相对湿度φ≤60%

3、设计所需相关规范
《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87
《建筑通风设计防火规范》GBJ16-83
《室内空调舒适温度》GB5701-83
《办公建筑设计规范》JG67-89

4、负荷计算
·冬季供暖工况：
取面积热指标： q = 60 W/㎡.
供暖总建筑面积： F = 23200㎡
冬季总热负荷： Q = q × F = 60×23200=1392 kW
其中大学生公寓热负荷： 1140kW
会所热负荷： 252kW

·夏季制冷工况：
取面积冷指标： q = 110 W/㎡
制冷总建筑面积： F = 4200㎡
则夏季总冷负荷： Q = q × F = 110×4200=462 kW

四、工艺方案
冬季工况：利用57℃地热水进行供暖，采用梯级利用的方式进行。
第一级：应用板式换热器输出55℃热水为高档公寓部分供暖，地热尾水温度降为52℃左右；地热水直供可提供256KW的热量，可满足会所冬季供暖252kW最大热负荷的需求。
第二级：应用1台QYHP600H高温水源热泵机组对52℃地热尾水进行余热回收，输出75℃二次水对大学生公寓进行供暖。
第三级：应用1台QYHP600H高温水源热泵机组对36℃左右的地热尾水进行余热回收，输出75℃二次水对大学生公寓进行供暖，地热尾水温度18℃,符合排放标准。

两台QYHP600H高温水源热泵机组共可输出1248KW的热量，可满足大学生公寓冬季供暖1140kW最大热负荷的需求。

夏季工况：QYHP600H型高温水源热泵机组单机额定制冷功率为325KW，两台合计为650KW，可满足4200㎡高档建筑共462 KW的夏季冷负荷的需求。

五、流程示意图图见附图




六、经济性比较
高温水源热泵除具有环保的特点外，更具有明显的节能优势，下面将利用各种余热资源采用高温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1.8元/ m3、煤价300元/t、自来水3.2元/t、燃油3.4元/L。
2、单位建筑面积热负荷：设备选型按60W/㎡，实际运行按31.82 W/㎡计取（系统24小时不间断运行的全年平均值） 3 。采暖系统运行按130天/年。
3、燃料燃烧值按国家标准计取，燃煤锅炉效率η取0.55，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。
5、在一次性投资及运行费用中各种供暖方式相同的部分不做比较。

通过上表我们可以看到应用高温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。

七、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低温地热水、地热尾水、含油污水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热资源，从根本上解决了此类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，最高出水温度可达90℃，可满足不同用户的空调、供暖、制备生活热水的需求，低温地热水+高温水源热泵取代燃煤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18℃左右远低于国家规定的小于30℃的标准。

3、一机多用，节约资金
在该项目中，利用高温水源热泵提供冬季供暖的同时，还可提供夏季制冷，从而避免了中央空调系统的重复投资。

4、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，无压力容器存在，安全性好。地下水温度稳定，水源热泵供热为连续供热温度恒定，人体的舒适感好。

参考文献
〔1〕 李汉炎 ，张启.地热能利用回顾与展望
〔2〕 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
〔3〕 李先瑞，郎四维.水源热泵－一种经济、节能、可靠的空调能源方式 建筑热能通风空调.1999.1