中深層地熱能梯級利用系統優化分析

文_黃峰 山東地礦新能源有限公司

1 地熱供暖工程概況

本建筑占地總面積為17702.5m2，被細化為東、西兩個區域，該區建筑使用功能以住宅、商業、辦公等為主、建筑東區共計建設了19 棟建筑，總面積為96813m2，其中住宅、商業、辦公、酒店占地面積依次為69721m2、6988m2、6267m2、14287m2，單體建筑高程為67.6m。

該地熱供暖項目已運行3年，其主要功能是冬季供暖。當下使用的地熱能利用方法是：地熱水經由潛水系統出井，被旋流除砂器處理后直接為用戶供暖，尾端是采用地板采暖。

為應對冬季寒冷時段供暖能力偏差的現狀，擬將一臺水泵加裝在供水干管與回水干管間，通過混水形式強化系統的供熱能力。

2 地熱梯級利用原理分析

以前，地熱供暖系統內安裝的單組或單臺供熱設備形成的溫降效果較差，進而造成由深井抽吸出的地熱水熱換后直接排放，水的溫度較高。為拓展地熱水可利用的溫差，提升地熱能整體利用效率，可以串聯使用功能、溫度要求存在差異的換熱設施，經高溫到低溫逐級提取、應用地熱流體的熱能，借此方式使地熱尾水水溫達到理想狀態。此過程可達到充分利用地熱能的目的，被稱之為地熱梯級利用系統。

3 地熱系統優化設計方案

可以從如下三方面對原地熱供暖系統做出優化改造：①拓展供暖能力；②降低地熱水開采量；③拓展系統或關鍵采暖設備的傳熱能力。

3.1 設備選用

（1）換熱器

換熱器是供熱系統常用設備之一，板式換熱器是目前供熱的首選類型，其優點有：①在水—水溫差換熱領域中表現出較高適用性，換熱尾端溫差偏小（可低于1℃）；②換熱效率偏高，能在偏低雷諾數Re下形成絮流，和管殼式換熱器相比較，其傳熱系數提升3 倍有余；③熱損量低，散熱損失可不計。

（2）水源熱泵

其原理是采用高位能使熱量由低位朝向高位能源傳導，屬于一種效率高、節能性優良的技術。依照儲熱能量形式的差異，可把熱泵分為吸收式、壓縮式兩種類型，分別依靠高溫熱能、電能驅動。當高溫熱源溫度＜150℃時，吸收式熱泵利用能源期間的成本更高。本文所探究的中深層地熱水溫度基本上低于90℃，因此建議選用壓縮式熱泵。

（3）采暖末端設備

①風機盤管：為確保風機盤管在地熱梯級利用系統內持有較高的適用性，通常設定風機盤管額定進水溫度為60℃，限制區間為45 ～65℃。因此，當本地熱水供應溫度大于以上指標時，建議末端采暖設備選風機盤管。②散熱器：相關規范中明確規定，熱水是散熱器的熱媒，可依照75℃/50℃連續供暖形式設計散熱器集中供暖系統，要求供水溫度＜85℃，供回水溫差＞20℃。

3.2 加裝混熱水箱及運行調控優化

（1）加裝混熱水箱

在優化實踐中，遵照充分應用現有系統或設備的原則，以體現出經濟性。因潛水泵是定頻泵，調節手段有開啟、閉合兩種形式，為確保經改造優化的供暖系統在節省水資源方面有良好的經濟效益，故而擬定選用混熱水箱的改進方案。定量供熱水被梯級利用系統處理后溫度依照一定級別有所提升，采用以下2種形式處理地熱尾水：①若判斷地熱尾水水溫達到設計要求時，對尾水實施回灌處理；②若地熱尾水水溫未達到設計要求，則尾水將會被整合至混熱水箱內被循環利用，直至其達到可回灌對應的溫度值。

圖1 混水系統簡圖

現已知地熱供水T1為57℃，m1為150m3/h，m2為是混水量，設容積比熱容恒定，c 為4.187KJ/kg·℃，如果該系統運行期間需承擔的熱負荷為36443kW，則經計算后得出T3為37℃。隨后建立采暖用戶設計供水溫度（T2）的函數，經分析后，發現，在T2可實現的溫度區間內，伴隨供水溫度的上升，火積耗散有降低的趨勢，這樣提示T2越高，火積耗散越低，系統傳熱效能越優良。

在選定好換熱器以后，當給定熱流恒定時，系統火積耗散大小與冷熱流體熱容量之間存在反比關系。經測算，當m1=m2=150m3/h 時，設定水源熱泵額定狀態下熱源水端蒸發器進出口溫差是8℃，得出單臺熱累機組制熱為1396kW，為更好的滿足剩余熱用戶現實的采暖要求，則可以在供回水溫差恒定工況下，提升蒸發器側循環水流量，選一臺水源熱系機組去迎合剩余熱用戶采暖的主觀需求。伴隨熱源端進度溫度指標上升，機組COP 也出現相應提升，這提示機組制熱量提升速率大于輸入功率的增加速度。這提示通過提升機組熱源水水溫，有益于提高熱泵機組的制熱性。本方案擬定選用CVHG1000 型水源熱聚機組，同時對22℃進水濕度予以修整后，判斷修正后的制熱量符合剩余熱用戶采暖需求。

（2）運行調節

為更好地調控地熱水回灌溫度指標，在改造優化期間把沒有達到預設回灌溫度的地熱尾水再次整合至換熱系統內，進行提熱處理。具體操作方法可以做出如下概述：

在熱供水與地熱尾水管道兩者之間以及混熱水箱內的水源端潛泵，均加裝一套150m3蓄水池。“供水”、“回水”分別銜接一級熱用戶供水管、地熱尾水管，將一個溫控三通閥設置在換熱器連接蓄水池的管路上方，其作用是將溫控三通閥的溫度調控在15 ～18℃之間。若檢測后發現回水水溫＜15℃，則需要斷開混水支路閥口，同時啟動排水支路閥口，以將蓄水池的水排出；若檢測到蓄水池內的水位降到初水位1/3 時，則需要開啟供水潛水泵補充蓄水池內的水量；若檢測到回水水溫＞18℃時，則需閉合排水支路閥口后啟動混水支路閥口，關閉供水潛水泵的標準是蓄水池經補水處理后水位和初水位高度持平。這就提示應將一套潛水累控制柜，并選定定頻泵做為水源側潛污泵。

3.3 改造地熱供暖

結合相關數據的分析結果規劃改造方案，其在增強供暖系統傳熱性能方面表現出較高效能，經改造優化后的地熱供暖系統被分為兩級梯度予以應用，依次承擔了36445kW、3972.1kW的采暖需求，與此同時系統的換熱能力得到顯著提升。板式換熱器、水泵的設計參數分別見表1。

表1 水泵設計參數

為明確本文優化設計的供暖系統與傳統系統真實運行期間的排污壓力，擬定比較污染產生的源頭，就能比較出污染物的產生量。本文主要采用中深層地熱水作為供暖生熱源，和過往鍋爐房集中供熱形式相比較，能明顯降低煤炭資源的投用量，減少二氧化碳等污染物的排放量，節能環保，符合國家倡導的節能減排政策。

4 結語

在優化改造地熱水—水系統過程中，應遵照拓展地熱能可利用溫差、降低地熱水開采量的原則。通過調控地熱井出水量、回灌水水溫或熱器低溫側出口溫度等達成優化目標。在原供暖系統內加裝混熱水箱，能建成運行效率更高的地熱梯級利用系統。有利于節省水資源，提升整體供暖效率。