高温水源热泵在地热供暖中的应用

一、地热基本知识及我国地热的发展与现状

　　地热通常是陆地地表5000m深度内的热能。据推算，地核内部的温度达2000~5000℃，而地幔的温度达1000~2000℃。因此，在地球的最外层——地壳中蕴藏着巨大的热水库。地热水并不是地壳内天然存在的，而是地面上的雨水沿岩石、土壤的缝隙深入地壳深处，这些水被周围的热岩所加热。如果地壳深处有较大的空隙层，就可能形成具有开采价值地热水层[1]。而目前开采和利用最多的地热能即是地热水。根据地热水温度的不同，地热水可分为：低温水（t<140℃）、中温水（t=40~60℃）和高温水（t=60~100℃）、过热水（t>100℃）[2]。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[3]，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120万平方米[4]。但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。
二、全新的地热、高温水源热泵的供暖方案

　　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，可扩大供暖面积90万平方米，节能及环境效益十分明显。
三、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。但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，能在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。
四、负荷计算

1、空调室外计算参数（北京地区）

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、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 = 19000+4200=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
五、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；地热水间供可提供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。
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：


七、方案优点

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+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。