地下水水源熱泵機組在集中供暖系統中的應用

劉河江 黃玉景

(三門峽市水利局，河南 三門峽 472000)

一 概述

1.項目概況

某住宅區共有建筑面積6萬平方米，為滿足冬季供熱及生活熱水的需求，建設方擬采用地下水水源熱泵技術聯合供暖方式為住宅小區冬季采暖提供熱源，根據當地的地質結構及有關技術資料，現計劃打井1口(井深3800米)，單井出水量55T/h，溫度73℃。綜合考慮初投資及運行費用，并本著最大限度利用地熱水資源的原則，擬定采暖方式為：用地熱水給小區一次供暖，供熱后的尾水由地下水水源熱泵進行能量提升為采暖系統再次供熱，從而降低尾水排放溫度適合生活用熱水要求，最大限度的利用水資源。從長期運行的角度出發，對該方案的節能效益進行以下技術經濟分析。

2.熱泵技術原理

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或者土壤中獲取低品位熱量，經過電力做功，輸出可用的高品位熱能的設備。熱泵可以把消耗的高品位電能轉換為3倍甚至3倍以上的熱能，是一種高效供能技術。本文所要敘述的熱泵系統是利用地下水水源熱泵機組從中低溫水中吸收熱量供采暖用熱，可以實現能源的二次利用，大大提高能源利用率，節約地熱水的用量，是一條變廢為寶的節能途徑。在我國熱泵技術是國家重點推廣的能源技術之一，當前在國內已經獲得了廣泛的應用。

二 技術方案

小區建筑冬季采暖熱負荷為3000KW，生活熱水負荷為1200KW。采暖末端使用地幅熱，因此要求供水溫度為55℃，回水溫度為45℃。本系統中，地熱井出來的73℃、55T/h的地熱水由除砂器處理后，經過供暖一級板式換熱器和生活熱水換熱器換熱后的水溫降為46℃;再經過采暖二級板式換熱器換熱后出水溫度降為20℃排出。活塞式地下水水源熱泵機組水源側進水溫度為16℃，出水溫度為9℃，機組用戶側供回水溫度為55℃/45℃。為了提高本供熱系統的經濟性，盡可能多的利用地熱水的溫度，降低尾水的排放溫度是充分利用地熱水資源的關鍵。通過地下水水源熱泵系統能量提升，達到充分利用廢熱為本采暖系統提供補充熱量的目的。地下水水源熱泵系統可提供的生活熱水溫度為55℃，接至保溫水箱中，通過管路送到各用戶。

地熱水及尾水可提供的熱量為：(1)冬季保證生活熱水需用地熱水量為25t/h，1.163x(73-46)x25=785Kw。地熱供水73℃，尾水46℃;(2)剩余采暖用地熱水量為30t/h，地熱水一級全部用采暖可提供的熱量為：Q1=1.163×(73-46)×30=942Kw。地熱供水73℃，尾水46℃。(3)生活熱水用熱尾水和采暖一級板式換熱器尾水溫度均為46℃，水量共為55t/h。這些水供二級地下水水源熱泵系統，可從尾水中吸收的熱量為：Q2=1.163×55×(46-20)=1663KW。進水46℃，排水20℃。(4)熱泵驅動壓縮機電能轉換為熱能約為(COP≈3.75)：N=Q2÷(3.75-1)=604.7KW。(5)地熱梯級利用總制熱量：Q3=Q2+N=1663+604.7=2267.7KW。(6)地熱水采暖一級利用可提熱量為942KW，尾水+地下水水源熱泵可提供采暖熱量為2267.7KW，可提供的總采暖熱量為：3209.7KW。

根據以上參數分析，本系統可完全滿足小區冬季采暖及生活熱水的需求。采用地下水水源熱泵系統，可將尾水降至20℃，利用地熱水溫度53℃。由于冬季各時間段室外氣象溫度不同，地下水水源熱泵系統主機可根據回水溫度高低自動啟停。

三 經濟性比較

地下水水源熱泵除具有環保的特點外，更具有明顯的節能優勢，下面將利用余熱資源采用地下水水源熱泵的供暖方式同現行的各種供暖方式就運行成本、一次性投資依據基礎數據作定性分析如下：

1.電價0.56/(KW.h)、低谷電價0.2元/(KW.h)，每日低谷電價運行8小時、天然氣價1.98元/m3、煤價600元/t、自來水3.2元/t、燃油7.0元/L。

2.單位建筑面積熱負荷：設備選型按60W/m2，實際運行按31.82W/m2計取(系統24小時不間斷運行的全年平均值)，采暖系統運行按120天/年。

3.燃料燃燒值按國家標準計取，燃煤鍋爐效率η取0.75，燃氣鍋爐效率η取0.90，燃油鍋爐效率η取0.90，電鍋爐效率η取0.95，地下水水源熱泵機組COP=3.75。

4.運行費只計主要設備的燃料費，未計入管理費、燃煤鍋爐大修費等。

5.在一次性投資及運行費用中各種供暖方式相同的部分不做比較。

四 方案特點

1.余熱利用、經濟節能。采用高溫地下水水源熱泵機組可直接回收利用尾水中低品位余熱資源，從根本上解決了尾水余熱資源不能被熱泵機組直接回收利用的現狀。機組制熱工況出水溫度可根據用戶需求調節，可滿足不同冬季不同階段供暖及制備生活熱水的需求，低溫地熱水+高溫地下水水源熱泵取代燃煤、燃氣鍋爐進行冬季供暖無須改造供暖末端及現有供暖管網，從而使現有資源得到了最合理的利用。

2.綠色環保、效益顯著。采用地熱水加高溫地下水水源熱泵取代燃煤鍋爐可取得很好的環保效應和經濟效應，避免了燃煤鍋爐的廢氣廢渣對周圍環境的污染，省掉了燃煤的運輸費用、貯煤場地費用、除塵費用、灰渣的運輸處理費用等。同時解決了低溫地熱水或尾水排放后對環境造成的熱污染的問題，經此方案后，地熱水的溫度只有20℃左右遠低于國家規定的小于30℃的標準。

3.性能穩定、安全可靠。地下水水源熱泵運行自動化程度高，運行人員少，機組噪音很小，安全性高。地下水溫度穩定，使得熱泵機組運行更可靠、平穩，供熱為連續供熱，溫度恒定，人體的舒適感好。

四 結語

在不使用熱泵的情況下，采暖需用地熱水將達到60t/h，使用熱泵后節省地熱水50%，并增加熱量20%，可保證冬季出現當地極端低溫下的采暖負荷。上述參數計算均取的設計用熱負荷最大值，采暖期如果采取合理有效的調節措施，地下水取用量還將減少。這樣就在保證用熱的同時盡量減少了地下水的取用，更經濟環保。在后期的使用過程中如果能采取有效的尾水回灌技術，那么本系統的經濟環保性及長期穩定實用性的優點將尤為明顯。