吸收式熱泵在地熱水梯級利用的應用

文/李曉旻　湖南六建機電安裝有限責任公司 湖南長沙 410015

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吸收式熱泵在地熱水梯級利用的應用

文/李曉旻湖南六建機電安裝有限責任公司 湖南長沙 410015

本文分析了吸收式熱泵在地熱水梯級利用方面的應用方式，比較了吸收式熱泵與電力壓縮式熱泵的特點，相對電力壓縮式熱泵，用吸收式熱泵來做為地熱梯級利用的熱泵設備，具有單機容量大、運行工況廣、負荷調節性能好、一次能源利用效率高、運行成本低、使用壽命長、維護簡單方便等優勢。

地熱資源；吸收式熱泵；地熱水；梯級利用

一、地熱資源

作為綠色的清潔能源和可再生能源，地熱能已納入“十二五”能源規劃。國家計劃在十二五期間，將完成地源熱泵供暖（制冷）面積3.5億平方米。

由于城市建設的快速擴張，原有市政供熱系統已遠遠不能滿足需要，因此，在遠離市政熱源的城市周邊地區，深層地熱廣泛應用于住宅和公建采暖。1800m以上的深層地熱水溫度一般在50℃～90℃之間，65℃以上可以直接用于散熱器采暖，50℃～65℃可以用于空調末端采暖，40℃～50℃可以用于地板采暖，經過上述利用后，地熱尾水溫度一般在40℃以上。

由于地熱水資源有限，回灌困難、打井成本高風險大，國家對地熱資源的開采利用有嚴格的管制。因此，有必要對地熱尾水進行梯級利用，使地熱水回灌溫度達到10℃以下，達到減少打井數量、充分利用地熱資源的目的。

二、地熱水梯級利用流程圖

1.低溫地熱的梯級利用

圖1所示為低溫地熱梯級利用在酒店供熱中的應用流程圖。一級直接利用板換將60℃的地熱水換成55℃的生活熱水，二級、三級分別利用燃氣或蒸汽吸收式熱泵將50℃和26℃的低溫地熱尾水的熱量提取后，提供60℃的空調熱水。從圖中可以看出，因地熱尾水溫度即吸收式熱泵的低溫熱源水溫度不同，兩級吸收式熱泵的能效比略有差異，第一級熱泵COP為1.75，第二級熱泵COP為1.6，兩者相差不大，只有8.6%。同時，吸收式熱泵的熱力系數在冷凝溫度（熱水出水溫度）和蒸發溫度（低溫熱源進水溫度）之差增大時，它的變化幅度比壓縮式熱泵的熱力系數小。所以，在環境溫度下降或用戶需熱溫度提高時，吸收式熱泵的供熱量變化不如壓縮式熱泵那樣敏感。

2.中溫地熱水的梯級利用

圖2所示為中溫地熱梯級利用在區域住宅供暖中的應用流程圖。一級、二級直接利用板換將地熱水換成75℃散熱器采暖熱水和50℃地板采暖熱水，三級、四級則通過燃氣或蒸汽吸收式熱泵機組提取地熱尾水熱量，提供75℃散熱器采暖熱水，使地熱水最終回灌溫度達到10℃，地熱資源得到充分利用。

三、吸收式熱泵選型

1.根據驅動熱源不同（蒸汽、熱水、煙氣、天然氣），可以分別選用蒸汽型吸收式熱泵、熱水型吸收式熱泵、煙氣型吸收式熱泵、直燃型吸收式熱泵。

2.根據采暖熱水溫度不同選用單效吸收式熱泵或雙效吸收式熱泵。當采暖熱水溫度為45℃～95℃時，選單效吸收式熱泵，采暖熱水溫度≤45℃時，選雙效吸收式熱泵。

3.吸收式熱泵機型的大小應根據熱負荷大小、低溫熱源以及熱水進出機組的溫度來計算確定。一般一座熱力站吸收式熱泵機組不宜少于二臺。

相對傳統鍋爐或電力壓縮式熱泵機組，吸收式熱泵機組具有以下特點。

1.一次能源利用效率高：單效吸收式熱泵熱力系數COP=1.6～1.8，雙效吸收式熱泵熱力系數COP=2.2～2.5。即消耗一份中高品位的熱能，至少可以產生1.6～1.8份的有用的中溫熱能，比燒鍋爐或直接用高溫熱源加熱采暖熱水，一次能源利用效率提高60%以上。在相同制熱量的條件下，較電力壓縮式熱泵節能30%左右。圖3為不同類型機組一次能源利用效率比較圖。

圖3　 一次能源熱效率比較圖

2.熱水出水溫度高：吸收式熱泵機組最高出水溫度可達95℃，能滿足遠距離大型區域供熱需求，而電力壓縮式熱泵的出水溫度一般在50℃左右，供一座樓的采暖或空調還勉強能滿足需求，對幾十萬上百萬平米的區域建筑供熱，這個溫度就明顯偏低了。并且吸收式熱泵熱水出水溫度高低對機組的運行工況影響不大。而電力壓縮式熱泵機組冬季機組處于供熱狀態時，在熱水出水溫度在40℃～50℃時運行較好，超出這個范圍，壓縮機排氣溫度也隨之升高，排氣溫度過高使壓縮機油品質劣化，導致壓縮機壽命降低，機組運行工況明顯惡化，能效比迅速降低，因此，電力熱泵的應用范圍有限，僅適合于地板采暖等低溫供暖區域。目前也有中高溫壓縮式熱泵機組出現，但運行的經濟性隨著熱水出水溫度的提高大幅下降。

3.單機容量大：目前國內先進廠家利用模塊化生產技術，克服了大型機組體積大運輸困難，真空部件需在用戶現場焊接組裝而使產品質量得不到保證的難題，能生產單機最大制熱量達56MW的大型吸收式熱泵機組，單臺機組最大供熱面積達100萬平米以上，可以滿足大型區域供熱需求，而電力熱泵單機目前最大只能做到5MW左右。

4.變工況變負荷運行性能好：吸收式熱泵是一個真空換熱設備，具有良好的負荷跟蹤能力和出色的低負荷節能特性，使能源消耗隨負荷的變化而變化，使運行費用大大降低。吸收式熱泵的低溫熱源溫度范圍在15℃～50℃之間，中溫出水溫度在45℃～95℃之間，負荷調節范圍5%～100%，其應用范圍要比電力壓縮式熱泵大得多。并且，吸收式熱

四、吸收式熱泵的特點

泵機組在變工況運行時，對能效影響不大。

5.使用清潔能源和環保冷媒：吸收式熱泵可以使用廢蒸汽、廢熱水以及清潔能源——天然氣作為驅動能源，驅動能源選擇范圍廣泛，可以節省電力投資。同時吸收式熱泵使用無毒無害的溴化鋰溶液作為冷媒工質，對臭氧層無破壞，排放無污染，對環境友好。

6.維護管理方便：吸收式熱泵是一個換熱設備，運轉部件很少，維護管理簡單，使用壽命長達30年以上。

五、初投資及運行費用分析

1.初投資

吸收式熱泵機組設備投資普遍高于電力壓縮式熱泵機組，其中蒸汽型吸收式熱泵機組價格是電力壓縮式的1.5倍左右，直燃型吸收式熱泵機組價格則是電力壓縮式熱泵的2倍左右。

2.運行成本分析

以電力價格1元/kwh，天然氣氣價3.0元/m3，熱值10kwh/m3，電力壓縮式熱泵COP=3.5～4.5，吸收式熱泵COP=1.7～2.3，為計算依據。則：

吸收式熱泵供熱能源成本：3.0÷（17～23）=0.18～0.13元/ kwh；電力壓縮式熱泵供熱能源成本：1.0÷（3.5～4.5）=0.29～0.22元/kwh。吸收式熱泵運行成本比電力壓縮式熱泵低35%以上。

3.投資回收周期

以供熱能力為16MW的熱力站為例，電力壓縮式熱泵的投資約為720萬元，每個供熱季的能源成本約為820萬元；燃氣吸收式熱泵的投資約為1550萬元，每個供熱季的能源成本約為530萬元。

燃氣吸收式熱泵比電力壓縮式熱泵多出的投資靜態回收期約2.9年。

結語：

地熱水是寶貴的自然資源，必須最大限度加以利用。提高地熱資源利用率、保護地下水資源的最好方式是對地熱能進行梯級利用。

過去地熱水的梯級利用過程中，大量采用的是電力壓縮式熱泵技術，并且也取得了一定的成效。在吸收式制冷技術已十分成熟的今天，利用與吸收式制冷相同原理生產的吸收式熱泵來做為地熱梯級利用的熱泵設備，具有單機容量大、運行工況廣、負荷調節性能好、運行成本低、使用壽命長、維護簡單方便等優勢，將越來越廣泛應用于地熱梯級利用工程中。

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in this paper，analysis of the absorption heat pump applications in the geothermal water cascade utilization， compared the absorption heat pump and electric pump， the relative electric compression type heat pump， with absorption of heat as a heat pump equipment，geothermal energy cascade utilization， with unit capacity，operating conditions， load regulation performance， wide a high energy efficiency， low operation cost， long service life， maintenance is simple and convenient advantages.

Geothermal resources Gbsorption heat pump Geothermal water Cascade utilization