低温地热能梯级利用的系统方案及峰值热负荷处理.doc

低温地热能梯级利用的系统方案及峰值热负荷处理摘要结合北京地区的实际情况，讨论了低温地热水（45-60）供暖系统的不同方案和地热水供暖中峰值热负荷的重要性。关键词地热，梯级利用系统，热泵，供暖，低焓能，峰值热负荷一 概况国务院关于北京总体规划的批示中，要求将北京建成经济繁荣、社会稳定和各项公共服务、基础设施及生态环境达到世界第一流水平的历史名城和现代化国际城市。北京要实现可持续发展，能源问题成为首要问题。而地热资源潜力巨大，洁净并具有多种微量元素和有益组分，环境污染程度很小。如能科学规划合理开发，综合利用，依法治理，必将产生明显的经济、社会和环境效益，为造福子孙后代做出重大贡献。燃烧煤矿产生1000以上的高温烟气，属于高品位能源，做功能力比70热水大5倍以上，用燃烧采暖来维持18的室内温度，使可能转变为功的有效能遭到严重损失，而用低于100的中低温地热供暖，供暖这种高品位的燃料化学能，大大减少了能量转变的损失。目前中国为节约燃料，规定室外日平均温度等于或低于5或8以下日期为采暖期，而按照人的生理要求，最好在10度以下开始供暖，地热供暖不用燃料，可以按照人的生理要求，采暖期比现在加长，因而，地热供暖可能性明显提高人民生活水平。二 地热供暖的不同方案本课题组围绕低温地热供暖的不同工程模式做了深入研究，并进行了一系列的小试实验，中试工程和大型实际工程。下面将对地热供暖的不同方案进行讨论。考虑到原水回灌的问题及现有的地热水温度是50左右的中低温资源。以下的方案在用地热水采暖时，都不进行水处理，均经过板式换热后使用。1方案一：见图1。为根据本课题组在本校小型试验后确认的通用系统。直接利用级：采用风机盘管机组或地板采暖，用以加大温差，温差大约15；热泵利用级：普通热泵及高温可逆型热泵（1）普通热泵：分普通水-水热泵，水-气热泵两种。水源侧温降5。水-水热泵的负荷侧接楼内风机盘管机组系统。提供给风机盘管机组的冬季供/回水温为50/45，夏季供/回水温为7/12；水-气热泵可以直接向楼内送冷热风，也可以接风道接楼内风机盘管路机组系统。提供给风机盘管机组的冬季供/回水温为50/45，夏季供/回水温为7/12；建筑物内的水环热泵系统：为水源热泵的最佳使用系统方式。部分机组制冷的同时，另一部分机组供暖。这适用于在内外区的大型建筑物，使能源得以充分的利用。图1方案一图2方案二图3方案三图4方案四图5方案五（2）高温可逆型热泵：是近年来国内外开发的品种，适用于旧建筑物发行，冬季仍然使用暖气片，供/回水温为75/60，夏季将7/12的冷冻水用于有风机盘管机组，需要制冷的地方。实现一机多用。2方案二：见图2是本课题组在北京工业大学经管楼中进行的中试工程，并取得了很好看效果。此方案考虑楼内实际的情况，属于改造工程。直接利用级：第一、二级：为直接利用的部分，采用了低温的风机盘管机组，两组串联，循环水温降为11左右。采用的是新晃的低矮型风机盘管机组。使循环水降到热泵可以接受的温度，约为35；热泵利用级：第三、四、五、六级；每个热泵的水源侧温降约为5，水原热泵的负荷侧并联在一起接风机盘管机组，冬季供/回水温为50/45。尾水回灌：地热水经过放热后，以20左右温度直接回到回灌井，循环水则往复作用。在非设计工矿下，可以减少地热水量，使回灌温度降至更低。但是由于地热水的回灌问题还是一个不成熟的技术，究竟以多少度的地热水回灌才是最合适的，才不会影响地质构造，是一个尚待深入研究的问题，目前我们考虑到各种情况，一般设计地热水回灌问题约为20。我们还在此系统内安装了大量的仪表，并进行了很多的实验，总结了一些经验和教训，为后来进行新图书馆地热机房的设计做了充分的准备。3方案三：见图3直接利用级和热泵利用级共混方案：为北京工业大学的新图书馆和综合科技楼的方案。为了尽可能的利用地热水，同时也为了实现热泵在正常情况下稳定工作，采取了将经过板式换热器换热后直接利用的一级循环水，与热泵负荷侧的水合并进入混水分水器，共同供热至楼内的方案。在采暖的初期和末期，包括夜间值班采暖，均可实现不用开启热泵，只是得用直接利用级供暖，节约能源。我们选用的是能耐受30-35的螺杆式热泵机组。机组本躲中以实现七级卸载调节。地热水经过二级换热后以20左右的温度返回到回灌井。4方案四：见图4与方案三类似，只是少用了一级板式换热器，适用于水源侧有大温降的热泵。由于热泵的COP值与水源侧出水温度有关，故其运行COP值要低。5方案五：见图5对照方案：地热水降温利用方案。地热水全部通过板式换热器，温度降到热泵可以接受的水源侧的温度。和其他方案比较起来，因为此方案没有直接利用的前几级，且是将高温地热水换成较低的温度，在能源利用的角度上来说是不合理的，最终系统的总效率也比其他系统的低，对于深井地热水的使用来说，此方案是不可取的。不过方案五却适用于低温的浅井水。由于高温的深井水和低温的浅井水属于不同品位的能源，它们不具有可比性。6方案六：地热水通过井下换热器供暖方案。将右另文中介绍。 三 地热供暖设计中的峰值负荷处理：1北京地区，空调制冷负荷大多高于采暖负荷。只要热泵按制冷负荷选择，其制热量相对于实际需要的热负荷来说，有一定的富余量。2制冷面积小，同一座建筑物中，采暖负荷大的建筑。热负荷设计要考虑峰值负荷匹配。3累积供热量和设计热负荷是供暖系统的两个重要的参数，设计负荷确定了供暖设备的热容量，而累积供热量确定的是燃料量和运行费用。由标准年采暖度日曲线（见图6）。图6北京标准年采暖度日曲线图7基础负荷和峰值负荷由图可知，供暖期的大部分时间内室外温度都高于-9，即：在供暖期的大部分时间内，系统在基础负荷范围之内运行，因此选择合适的峰值负荷对地热供暖节能来说是相当重要的。由图6和图7知，室外温度越低，即：设计热负荷越大，累积的运行时间越少，设计热负荷下运行的持续时间越短，大部分时间供暖系统在低于设计热负荷的状态下运行。图8夜间室外温度所占的比例图9白天室外温度所占的比例图8和图9是北京标准年的夜间和白天室外温度数据，从中可以看出，在夜间室外温度小于等于-9的时间所占的比例最大，约为19%，但是在夜间是值班采暖，室内中需维持温度不低于10即可，所以总的来看，设计负荷所占的比例并不很大。白天室外温度在小于等于-9的比例占5%左右，大部分时间的温度都集中在0附近，也就是说，大部分负荷都是基础负荷。