熱泵技術在地熱供暖梯級利用方案中的應用研究

文_劉軍 謝迎春 蔣執俊 中核坤華能源發展有限公司

我國目前利用地熱供暖的面積已達到2.5億m2，替代燃煤約1000萬t，并且正處于快速增長過程中。地熱供暖作為清潔能源供熱的一種具體方案，為治理霧霾，打贏藍天保衛戰提供了一條切實可行的技術路線。目前，在地熱供暖項目中，為了充分利用地熱水中的熱量，往往利用熱泵技術和換熱器相結合的梯級利用方式。采用此種方式，地熱資源的利用率得到了較大提高，但仍存在可以改進的空間。

1 熱泵技術

熱泵技術主要基于逆卡諾循環原理。熱泵主機一般由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等組成。熱泵主機的主要性能指標為制熱能效比和制冷能效比。影響熱泵主機的主要因素為蒸發溫度和冷凝溫度，其中蒸發溫度的影響最大。通常工況下，蒸發溫度每提高1℃，熱泵主機的能效比可提高3%～5%；冷凝溫度降低1℃，熱泵主機的能效比可提高2%～3%。

2 熱泵技術在地熱供暖梯級利用中的傳統方案

地熱水通過一級換熱器將采暖回水由35℃加熱到45℃，經一級換熱器后，溫度降為40℃的地熱水進入二級換熱器，將中介循環水由10℃提高到20℃后進入蒸發器，經過二級換熱器后，地熱尾水的溫度降低到15℃，再進行回灌。而熱泵主機提取熱量后將采暖回水由35℃加熱到45℃，用于供暖。

由熱泵主機的性能系數及其影響因素可知，上述流程尚存在以下問題：①采暖循環水的溫度直接被熱泵加熱到45℃，溫升較大，且熱泵僅有一個冷凝溫度，沒有充分發揮采暖循環回水溫度較低的優勢。②熱泵的蒸發溫度受制于蒸發器的出水溫度。傳統流程中熱泵僅有一個蒸發溫度。二級換熱器的入口溫度為40℃，遠大于熱泵主機蒸發器的出水溫度，沒有充分發揮地熱水溫度較高的優勢。

3 負荷側梯級加熱的方案

采暖循環水側梯級加熱方案的流程如圖1所示。此種方式地熱水側的流程和傳統流程一樣，區別在于負荷側。熱泵主機和一級換熱器采用串聯梯級加熱的方式逐步提高采暖循環水的溫度。采暖回水首先進入熱泵的冷凝器，被加熱后再進入到一級換熱器，繼續被加熱到目標溫度后用于供暖。

圖1 負荷側梯級加熱流程圖

此種方式有以下特點：①該方式可有效降低熱泵的冷凝溫度，有利于提高熱泵主機的能效比。②一級換熱器負荷側的入口溫度較傳統流程入口溫度高，導致一級換熱器的有效換熱量減少，熱泵的裝機容量有所增加，系統投資有所提高。③采暖循環水側熱泵和一級換熱器串聯，導致整個負荷側的阻力較傳統流程阻力有所增加，運行時采暖循環泵功耗有所增加。④實際運行過程中，一級換熱器承擔基礎負荷，熱泵承擔尖峰負荷，熱泵實際運行時間較少。

在相同供熱量的前提下，與傳統流程相比地熱資源的利用程度如表1所示。

表1 負荷側梯級加熱方案的改造效果

從表1可看出，兩種方式的地熱尾水溫度相近，意味著相同供熱量的前提下，兩種方式的地熱能利用程度接近。

4 源荷側梯級利用方案

為了充分利用地熱溫度較高的工況優勢，在傳統流程的基礎上對系統進行了改進。第一種改進方法僅對地熱水側進行改進，將地熱水換熱系統設計為三級換熱。一級換熱器直接加熱采暖循環水，二級換熱器加熱二級中介循環水，作為二級熱泵的余熱源。三級換熱器加熱一級中介循環水，作為一級熱泵主機的余熱源。

此種改造方式有以下特點：①為熱泵提供了兩種不同的蒸發溫度，讓二級熱泵的能效比更高，系統的運行更節能。②將地熱水側多級換熱器進行串聯，地熱水側的壓力降較大，地熱水側的運行泵耗較傳統流程增高；但由于地熱水側溫差較大，地熱水的流量比較小，同時地熱水側的阻力比較大，增加的阻力占系統阻力的比率較小，所以地熱水側的泵耗對系統能耗的影響不大。③與傳統流程相比較為復雜，設備較多，維護維修比較困難。

通過對工藝的研究，當熱泵主機的冷凝器側為并聯關系，兩級熱泵主機的冷凝溫度一致，所以熱泵冷凝器側尚存在優化空間。在此提出第二種改進方法。新的流程圖如圖2所示。

圖2 源荷側梯級利用工藝流程圖

新的系統流程有以下特點：①不僅為熱泵提供了兩個不同的蒸發溫度和冷凝溫度，兩臺熱泵主機的運行工況均得到了優化，系統運行更節能。②負荷側兩臺熱泵的冷凝器以及與之對應的地熱水側換熱器的連接關系為串聯，系統的阻力有所增加，循環水泵的功耗有所增加。③較傳統流程更為復雜，設備較多，維護維修困難。

表2 新方案的改造效果

表2說明源側梯級利用方案較傳統方案地熱資源利用的更加充分，熱泵主機的供熱能力占系統供熱能力的比例變小，系統的能效更高。熱泵主機的效率較傳統方案大概可以提高16%左右。而源荷側梯級利用方案地熱資源利用最充分，系統的能效最高，熱泵主機的能效較傳統方案大約可提高23%。

5 結語

源側梯級利用方案相較于傳統方案具有較明顯的優勢，特別是在荷側也采用梯級利用的方法。其主要特點是利用地熱尾水溫度比較高的優勢提供多個蒸發溫度，提高熱泵的能效比。同時，在冷凝器側提供多個冷凝溫度，從而降低熱泵的冷凝溫度，提高了熱泵的能效比。與傳統系統的熱泵相比，一級熱泵的蒸發溫度和傳統方案熱泵的蒸發溫度相同，而冷凝溫度低于傳統系統的熱泵冷凝溫度。二級熱泵的蒸發溫度高于傳統熱泵的蒸發溫度，而冷凝溫度相同，一二級熱泵均得到了優化。

在地熱水側和負荷側構建多個熱泵系統（大于2），可以提高系統的節能性和經濟性，使得系統的熱力完善度更高。但不可避免地造成整個系統更加復雜，運行維護維修的成本有所增加。

因此，通過地熱梯級流程的優化，可更加有效的利用地熱資源，提高地熱利用的經濟性和節能性。