基于地熱梯級利用供熱系統運行策略的研究

李強

（中煤水文局集團（天津）工程技術研究院有限公司，天津300000）

我國有著較為廣泛分布的地熱資源，與此同時還有著良好的開采條件，但是在進行開發利用的過程中仍存在技術方面的局限性，所以導致我國廣泛面臨著地熱資源浪費嚴重的現象。基于此，有必要強化開展對于地熱梯級利用供熱系統優化運行策略的深入分析，進而切實保障工程對于地熱資源的利用效率，真正落實可持續發展的目標。

1 工程案例

我國某地區所開展的供熱工程主要采用的是地熱梯級利用供熱工藝，設計進行地熱井的開采，其實際的開采量是125m3/h，出水溫度則為80℃。一級利用在經過換熱器換熱之后便向用戶直接進行熱量的供給，其水溫降到中間溫度上，接下來再采用熱泵技術對換熱后的熱水熱量進行提取，并向地熱用戶進行再次的供給，當完成降低地熱尾水溫度之后便進行回灌排放。該系統建成之后預計能夠在冬天完成對于20 多萬平方米住宅的供熱工作。

2 基于地熱梯級利用供熱系統運行的優化途徑

2.1 控制方案

2.1.1 控制原則。因為地熱梯級利用供熱系統本身具有一定的復雜性，所以為了能夠切實保障其平穩運行，務必要嚴格遵循以下幾方面的控制原則：首先，應當在現有的基礎上盡可能提高地熱資源的利用效率，并最大限度實現對于輔助加熱系統能量的節約。當熱負荷變小的時候，需要降低當前的輔助加熱量。而當出現熱負荷大幅度降低的情況之后，工作人員需要對熱泵機組進行逐級關停，并逐漸減小地熱水的流量。若是將熱泵機組關停之后，地熱水難以同供熱負荷需求相符合的時候，工作人員要開展對于熱泵機組開啟以及輔助加熱系統之間經濟性的對比工作，進而實現對于最佳運行模式的確定[1]。某種地熱梯級利用供熱系統如圖1 所示。其次，應當確保熱泵機組有著最佳的工作效率，結合熱泵機組運行的實際特性以及熱負荷需求等多方面影響因素，對機組開啟的運行策略進行明確。最后，應當注重使用質量并調的調節方式，在系統調節的基礎上進一步降低輸配能耗，主要是通過對于地熱潛水泵以及各級循環水泵等變頻控制，在負荷與位數排放條件的基礎上針對水泵進行變頻，再經過多方程的聯合運算，得到最優流量。

2.1.2 控制目標。其具體的控制目標為通過優化運行方式最大限度降低機組的系統總能耗，在同相關約束條件相適應的基礎上，對各項能耗指標進行優化調整，可以通過下列公式進行表述：

圖1 某種地熱梯級利用供熱系統

在該公式中，F(x)代表的是優化目標函數，而f(x)則主要指的是建立于質量和能量守恒關系基礎上的穩態模型方程式，h(x)為約束方程，主要是出于對于安全因素以及性能參數的考慮。對于系統整體的優化控制來說，需要工作人員從整個系統層面著手，對相應的優化目標和優化約束條件進行確定，然后在此基礎上得出最終結果。系統整體的動力部件主要涉及到各種水泵的輸配能耗以及水源熱泵機組的壓縮機功率，其所選用的目標函數如下所示：

該公式中，Nh代表的是熱泵機組所具有的實際功率，而Nw則表示的是循環水泵輸配能耗的功率，Nt代表著系統調峰功率。在系統優化模型方面主要使用最基本優化的數學方法，具體指的是事先給出優化參數的特定取值范圍，然后在這一范圍當中進行優化目標系統能耗值的逐個計算，并對大小進行比較，最終選擇那個能耗最小的參數值，在計算的過程中進行求解系統總能耗。

2.2 優化策略

供熱系統流程主要是分三級進行利用，地熱水需要先通過第一級板式換熱器加熱散熱器采暖的回水溫度，進而使得散熱器采暖系統的供水溫度能夠同不同室外溫度下的供水溫度相適應。將以及板式換熱器的出水同一側的旁通管道的水流進行混合，然后進入到二級板式換熱器當中，二次側的地板輻射采暖系統的部分回水將會同進入板式換熱器的地熱水進行換熱，與此同時還會對該部分回水溫度進行加熱，使其能夠與不同室外溫度下所相對應的供水溫度相一致。接下來便能夠經過熱泵機組對該部分熱量展開相應的提級利用工作，切實保障熱泵機組的出水溫度能夠同不同室外溫度下所應有的供水溫度相適應，進而向用戶進行供熱。

2.2.1 散熱器系統。散熱器系統是地熱梯級利用供熱系統運行的重要基礎部分，在進行優化的過程中應當嚴格從上文所述的控制原則出發，在保障其能夠同熱負荷需求相適應的同時，對板式換熱器的一次側和二次運行流量展開優化調節工作，進而高效達到降低系統輸配能耗的效果，與此同時減少地熱水原本的換熱量。為了能夠有效規避系統處在低負荷工況下產生“大流量，小溫差”的問題，對板式換熱器二次的水泵流量進行調節，結合系統水力平衡的相關要求來看，其最小流量應當在系統總流量的60%以上。因此，基于綜合分析的相關結果，決定分別采用系統循環水量的60%、70%、80%、90%以及100%進行二次側條件，并使用逐步增加的方式。當具體開展循環水量調節的過程中，結合系統的調節公式能夠對板式換熱器二次側的供回水溫度進行確定，然而對于系統水量的調節工作會在一定程度上對板式換熱器的換熱量造成影響，基于現有的供回水溫度的約束條件以及板式換熱器的熱量平衡方程能夠對其二級板換的循環水量進行確定，接下來再開展對于系統的熱力計算，明確熱水最小流量以及板式換熱器一次側的出水溫度。

圖2 散熱器系統室外溫度同供熱負荷之間的關系

經過試驗可以發現，二級循環水量會根據室外溫度的實際變化情況從系統循環水量的60%開始變化，當室外的溫度處在-6℃的時候，應當通過對現有的系統循環水量進行增加，以保障其能夠同系統的換熱需求相適應。當室外的溫度相對來說較高，與此同時要在系統熱負荷比較小的時候進行調節，調節系統循環水量能夠在增加供回水溫差的同時，實現系統輸配能耗的有效降低，當溫度在6℃以下的時候，室外溫度越低便會使得循環水量得到進一步增加。

2.2.2 地板輻射采暖系統。對于底板敷設采暖系統來說，其在供熱方面主要是發揮兩部分的作用，分別為來自二級板式換熱器的換熱，以及當換熱量難以同負荷需求相適應的情況下，則會將燃氣鍋爐或者是熱泵機組開啟，以達到良好的供熱效果，經過計算可以得出以下幾方面的優化策略：當負荷仍處在相對較小情況的時候，將二級板式換熱器開啟進行換熱，那么負荷側循環水泵便會隨著室外溫度的變化，從60%處開始出現調節變化。當工作人員展開對于水源熱泵以及底板敷設采暖系統板式換熱器進行供熱量計算的時候，應當結合室外溫度具體的變化情況，對負荷側循環數量展開優化調節工作，綜合考慮能量守恒方程及其具體的約束條件，進而得出能夠滿足熱負荷需求的最佳地熱水循環水量[2]。一旦在負荷不斷增加過程中產生了板式換熱器的換熱量無法負荷系統熱負荷需求的時候，便應當第一時間將水源熱泵機組開啟。工作人員在開啟水源熱泵機組的過程中應當對針對負荷側進入板式換熱器和水源熱泵機組的水量進行優化調節，以保障其可以充分滿足系統的熱負荷需求。當處在負荷率在70%的條件下，對于一次側的地熱水來說，其流量主要是根據室外溫度的變化情況而產生變化，而二次側的流量則是設計流量的60%左右。當處在負荷率在70%-75%之間的條件下，那么一次側的流量具體應當是設計流量的70%，接下來在二次側開啟一臺熱泵機組，為了切實提升板式換熱器的換熱質量以及效率，應當將板式換熱器二次側的流量設定為設計流量的70%，熱泵機組的流量應當是設計流量的30%。若是室外溫度在3℃以下，那么系統總的循環水量基本同設計循環水量相一致。與此同時，還要針對二級板換二次側同熱泵機組之間的循環數量比值進行調節，來達到保障供給熱負荷的效果。室外溫度以及二級板換循環數量占總水比之間有著一定的線性擬合關系，具體可以通過下列公式進行表示。

由此可見，當對外溫度出現下降的情況下，便會使得二級板換循環水量出現逐漸降低的現象，與此同時，熱泵機組的循環水量也會得到不斷增加。當室外的溫度在5℃以下的時候將兩臺熱泵機組同時開啟，板換循環水量以及熱泵組循環水量在機組的總體水量中分別有著80%以及20%的占比。當室外的溫度在8℃以下的時候，將三臺熱泵機組同時開啟，此時的板換循環數量以及熱泵機組循環水量在機組總水量中分別有著60%以及40%的占比。在實際進行運行的時候，工作人員可以采取對以及板式換熱器的回水溫度進行控制的手段達到對于散熱器系統供暖負荷的優化調節效果，在室外溫度不斷變化的過程中回水溫度所呈現出的變化規律可以通過下列公式進行表示：

該公式中的x所代表的是室外溫度。

在上述公式的基礎上，工作人員可以利用氣候補償器的電信號起到對電磁旁通閥開度的控制效果，進而實現對于一級板式換熱器回水溫度的調節[3]。針對地板輻射采暖系統來說，在系統熱負荷相對較小的情況下，可以采用對二級板換的一次和二次的循環水量進行調節的方式，開展對于負荷的調節工作，工作人員應當綜合考慮具體的地熱水循環水量的需求，進而對地熱水的出水量進行確定，然后在此基礎上優化選擇相應的調節方式。在該系統當中，室外溫度同地熱水的循環數量之間有著一定的內在聯系，并呈現出特定的比例關系，所以應當能夠通過氣候補償裝置，對具體的地熱水循環數量進行確定。

3 結論

綜上所述，優化提升地熱梯級利用供熱系統的運行效率，能夠切實保障地熱資源的利用效率，對于社會經濟平穩運行以及可持續發展有著積極的促進作用。基于此，務必要優化應用地熱梯級利用技術，最大限度減少環境污染以及資源浪費等問題，并達到資源的最優配置效果。