浅层地热能在某小区中的应用分析

浅层地热能在某小区中的应用分析聊城市规划建筑设计院 田彦法摘要 阐明了地热能供暖之与常规能源供暖有诸多不同。结合工程实例，指出设计地热供暖系统时，应尽可能的开发应用小区内高投资而又相对有限的地热资源。可将地热水作为基本负荷，通过热泵、浅井水以及生活热水蓄水箱进行调峰，以达到地热能最大限度的综合利用。地热的梯级利用可大大提高地热能利用率。为使地热系统达到期望使用寿命，进行防腐设计是十分必要的。完善的节能措施及科学管理是使系统安全、经济、高效运行的重要条件。关键词 地热能 梯级利用 水源热泵 防腐设计 优化控制1. 引言随着常规能源价格的上升和环境制约等因素的影响，近年来，地热资源开发量增加。地热能从严格意义上说不是可再生能源。但是地热能蕴藏十分巨大，几乎取之不尽，所以也是重要的新能源。据估算，其经济可开发资源总量约为5亿吨标准煤。与常规能源相比，低温地热在供暖及生活热水供应方面具有明显优势。2. 地热供暖与常规锅炉供暖或市政集中供热有很大区别，其在设计应用时应注意以下几个重要方面： （1）、低温地热井的热水温度低，聊城地区的地热井出水温度一般为60 左右，焓值较小；流量也不大，一般在100 M3/h左右。因此，计算其供暖能力时就不能套用常规供暖手册中的数据和方法，需要另行计算。 （2）、地热水从井中抽出经供暖系统后随即排放，属“直流式”系统。因此，地热水必须充分利用其热能，供暖排水温度必须尽量降低以提高地热利用率，不然耗资甚大的地热井其经济性就不能提高。这就要求设计人员必须采用先进的热源系统对地热进行梯级利用。 （3）、为了充分利用地热能，应将地热水提供的热负荷作为基本负荷，满足初寒期和末寒期的负荷要求，对严寒期热负荷不足的部分，在地热系统中配置调峰热源（如锅炉、热泵等），补充负荷的不足。调峰热源的选取以及调峰负荷与基本负荷的比例分配问题则要求设计人员根据具体情况充分论证解决。 （4）、深井（目前，聊城地区的井深一般在15002000M之间）地热水中常含有大量腐蚀性的离子（如CL-、SO42-）和少量气体（如H2S ），矿化度也较高，对金属的电化学腐蚀很严重。因此设计时对系统中选用的设备、管路、阀门及仪器仪表等均有严格的防腐要求，否则，会大大地降低设备使用寿命。配有板式换热器的间接供暖系统成为当前较常用的地热供暖系统。不同于常规供暖的防腐设计是必要的。3. 实例应用分析3.1 工程概况 该项工程为一高档高层住宅小区，总建筑面积20万平方米，地下一层，为车库及设备用房；地上最高为二十四层，为商业服务网点及住宅，最高住宅楼为66M。该小区建筑围护结构热工性能按65节能标准设计，室内采暖方式采用低温地板辐射采暖符合当地地热资源温度。小区内备有一口地热井，据测算，该井出水温度约为57，水量为90t/h。该地热井除为小区提供冬季供暖热源外，还应同时供应四季全天候生活热水。3.2 供暖系统设计3.2.1 系统分区与负荷分析 热负荷面积热指标按35W/概算，小区供暖分为高低区两个系统。12层及以下为低区，建筑面积为15.5万平方米，采暖热负荷为5500KW；12层以上为高区，建筑面积为4.5万平方米，采暖热负荷为1600KW。小区总热负荷为7100KW。 聊城市采暖室外设计温度是8（不保证率为50小时），当室外温度发生变化时，负荷也不是一成不变的，必须加以随动变化，才能确保节能。根据国家气象资料、由供热系统调节理论可得到如下运行转换数据： 系统初、末寒期（总时间约70天）基本负荷为5000KW（转换外温为1）；中寒期（总时间约35天）负荷为6000KW（转换外温为5）；严寒期（总时间约15天）负荷为7100KW（转换外温为8）；采暖期总度日数为120天。3.2.2 方案设计考虑地热水的腐蚀性及节约运行费用（降低深井泵的扬程），本方案设计为采用中间换热器的间接供热系统。考虑到冷热流体流量的差异，采用了不等截面板式换热器，使流量大的采暖系统热媒循环水流经宽通道，流量小的地热水流经窄通道，这种形式的换热器在单流程的情况下，可使冷热介质在板间的流速比较接近，换热能力提高，从而减少换热面积，节省投资。同时，单流程单侧连接有利于安装、调试和维修。充分利用地热水中的热量采用地热水直接换热承担系统基本负荷；利用水水热泵技术将一次地热尾水中的热量再次提取，作为中寒期的调峰热源，同时降低了地热尾水的排放温度，实现地热水的梯级利用；在小区内另打两眼400M深的同层浅井（出水温度22，水量90M3/h），作为严寒期的调峰热源，浅井采用压力回罐，两眼井互为采灌井。具体方案设计如下：（1）、因高区系统负荷较小，为简化系统，降低造价，可利用部分地热水通过一次换热器加热循环水，直接向室内供暖，地热井承担全部热负荷，利用换热器进水管上的温控阀控制地热水流量，实现负荷调节。（2）、低区系统基本负荷由其余地热水通过一次换热器加热循环水，直接向室内供暖；中寒期热量不足时，启动水源热泵补充调节，高、低区一次换热器后的地热尾水混合后通过二次换热器加热二次水，作为热泵的热源；严寒期地热尾水热量不足时，启动浅井水通过换热器加热二次水为热泵提供附加热量。（3）、根据甲方要求，机房内再引入市政蒸汽作备用热源。蒸汽入口安装温控阀可根据系统回水温度控制蒸汽流量。专用的地热井口装置允许井管伸缩，设有专用泵座可方便地互换使用大、小泵，还留有动水位自动监测口。井口设置易于排气且能防腐的除砂器。为减少热量损失，采暖用地热水不进行除铁。3.3 生活热水供应系统地热供暖的尾水（一次尾水）其温度接近于生活热水的需要，供应量又大，不必消耗常规燃料，因此是地热综合利用重要而有意义的内容。另外，由于温泉水中含有多种对人体有益的矿物成分，使其具有独特的“疗养”功能，既能健身，又能治病，因此，在不少楼盘中，“温泉入户”成为其大力宣传的“卖点”。3.3.1 本小区住户总数为1300户，最高日热水定额按80L/人.日计，则该小区最高日用水量为300M3/日，最大时用水量为27.5M3/h（K=2.2），平均时用水量12.5M3/h。 一般来说，洗浴用热水其使用水温在4045左右即可，在冬季为最大限度的利用地热供暖，生活热水供应温度控制在45左右，用户原则上不再混合冷水。3.3.2 本方案设计生活热水水源为一次地热尾水与地热出水的混合水，其中以一次地热尾水为主，当其温度较低时，辅加地热出水。即在一、二次板换之间引出热水供水管与地热出水管混流后至天然锰砂滤罐除铁，然后接至热水蓄水箱，通过浮球阀控制启闭；地热出水管与地热尾水混合前设有温控阀，由水箱内热水温度控制温控阀的开度，通过掺混，使水箱水温基本维持在45左右。3.3.3 为防止生活热水与供暖系统“争水”，错开两个系统的使用高峰(晚18：0022：00)，本生活热水系统设有容量较大的热水调节蓄水箱。即在中午采暖负荷较小时蓄水，晚间采暖负荷峰值时地热水只供暖，不再蓄水，而由蓄水箱提供室内较大的热水供应。本工程调节水箱容积为50M3X2。3.3.4 本高层住宅区室内热水供应分为高、中、低三个系统（每八层一个分区）。因此，机房内设有三套变频供水装置分别供应三个系统。为保证热水质量，系统均设有循环管，且在循环管回至水箱处设有三通温控阀，如回水温度较高，则流入水箱，当回水温度低于设定限值时，回水直接泄至弃水蓄水池（下面内容介绍）。3.4 地热弃水再利用 二次板换后的低温（约为7）地热弃水在采取回灌措施之前尚有开发利用价值：一方面是经过深度反渗透处理后制成矿化活性水，作为小区甚或社会的直饮水，即可产生一定的经济效益；另外，还可将地热弃水利用弃水蓄水池收集起来，通过加压泵送到室内作为冲便器用水。这样，通过“废物利用”，使得地热资源利用最大化。3.5 地热系统综合利用工艺流程见附图：3.6 防腐设计：其实，综合评价一个地热开发利用系统优劣的因素应该是多方面的，除提高地热利用率外，如何合理选材以达到期望寿命也是一个不容忽视的重要因素。因此，地热系统的防腐设计是必要的。地热利用系统的防腐主要指系统所用设备及管道内部的防腐。本工程的选材方案设计如下：（1）、深井泵及生活热水泵的叶轮选用4号铸铁，不推荐使用铜合金。（2）、泵轴可选用30或35钢，不推荐使用不锈钢轴或镀铬轴。要求泵轴出厂时不刷防绣漆，只涂防绣油。安装时泵轴表面涂覆防腐涂料，首先是4道环氧富锌底漆，然后是3道环氧铝粉面漆，共7道，每道2030m，总厚度150210m。（3）、扬水管使用无缝钢管，供货时不涂沥青漆，只涂防绣油。安装时内外表面均需涂覆防腐涂料，具体操作工序同泵轴要求。（4）、井水供水管及生活热水管当管径大于DN50时采用玻璃钢纤维管，其余小管径管道均采用PP-R塑铝稳态管。（5）、阀门小于或等于公称直径DN50的采用不锈钢球体、聚四氟乙烯衬的球阀，大于公称直径DN50的采用不锈钢蝶芯、聚四氟乙烯（或硅橡胶）衬垫的蝶阀。不推荐采用铜闸板阀。（6）、地热水一、二次板换均采用钛板换热器，浅井水板换为降低造价可选用不锈钢材换热器。3.7 节能措施及运行控制如此复杂的地热综合利用系统只有完善的节能设计措施及优化的控制策略才能使其安全、经济、高效的运行。3.7.1 系统采用PLC控制措施，优先采用地热直接供暖，不足时开启热泵机组；优先以地热尾水为热泵的热源，地热尾水不足时开启浅井水泵。3.7.2 因冬季地热供暖系统是连续的，地热负荷不会在短时间内大起大落，且本工程整个采暖期地热井流量均以满负荷运行为优，故深井泵不再设变频调速器，增加无谓投资；而其它季节地热水的任务是供应卫生热水，需水量大幅降低，又考虑热水系统自身具有调节功能（指调节水箱），因此，在春、夏、秋季深井泵可调整为小流量泵，且也不必设变频器。这一措施即可延长水泵使用寿命，又可降低运行成本。3.7.3 高区换热器地热水进口处加设自力式温控调节阀，根据采暖系统热媒回水温度控制高区换热器地热水流量分配，以实现高区采暖系统各采暖期的负荷调节。3.7.4 低区水源热泵的自控系统可很好的根据供暖系统的回水温度自动加、卸载，同时，也可人为的根据室外气温设定供水温度以实现系统的质调节。3.7.5 供暖系统的量调节由循环水泵的变频调节实现。室内每个立管系统根部均设有动态平衡阀，和每户分水器上的手动线型比例调节阀共同调节系统的水力特性，这就必然宏观上造成循环水泵泵前的压力波动，这一波动就可作为变频调速器的控制变量。 3.7.6 每台热泵机组进水端均加设电动开关阀，机组循环泵、二次泵均与主机一一对应，联动控制，当较低某台主机停止运行时，对应的循环泵、二次泵停止运行，电动阀关闭。3.7.7 浅井泵也根据二次水的水温变化变频控制，既可实现优先利用地热尾水的目的，又可节约运行费用。3.7.8 生活热水系统中温控阀的设计上述已介绍，不再重复。为更好的节约运行费用，热水加压泵也设有变频器，根据管网压力自动调节水泵转速。4. 结语地热能的综合利用既符合国家的能源政策，又可给业主带来可观的效益，因此，其开发潜力是非常大的。但目前不少工程存在诸如浪费资源、破坏环境、地热利用率低、设备使用寿命短、管理不科学、设计水平低下等问题。这就要求我们在开发利用中端正态度，高度重视，合理设计，综合应用，正确选材，优化控制，力求做