水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析.pdf
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1、水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析郭英明魏巍巍(中交公路规划设计院有限公司,北京)摘要:通过介绍中深层水热型地热系统在建筑供暖中的设计和应用,总结了地热系统、换热系统、水源热泵系统中影响地热资源利用、系统效能及可持续性的主要因素,并结合实际项目案例对先后两期工程的设计和应用进行数据对比,分析其中问题并提出解决措施,从地热能利用率、系统综合制热系数、单位地热水量供热能力个指标对水热型地热系统进行综合评价,并提出应考虑满负荷运行和部分负荷运行时按不同原则进行设计。关键词:水热型地热系统;热突破;耗散;梯级利用;地热能利用率;系统综合制热系数;单位地热水量供热能力郭英明,女,年生,硕士研
2、究生,高级工程师 北京东城区东四前炒面胡同 号 :收稿日期:引言 年碳达峰是“十四五”期间的重点任务,可再生能源是低碳转型的重要抓手,而地热能作为一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源,与其他可再生能源相比有巨大发展潜力。国家能源局于 年发布的 关于促进地热能开发利用的若干意见 中提出“鼓励开展中深层地热能集中利用示范工作,示范不同地热资源品位的供暖利用模式和应用范围”,明确了“到 年,地热能供暖(制冷)面积比 年增加,到 年在 年基础再翻一番”的目标。建筑利用地热能供暖(制冷)主要以浅层地热能为主,中、深层地热能因受资源禀赋、地勘条件、投资造价的限制,应用项目较少。本文通过中深层水热型
3、地热系统在建筑供暖中的设计和应用,分析其热源侧系统的主要影响因素,并以实际项目为例,对一期、二期工程的设计、运行测试数据进行对比,对系统中存在的问题及影响地热资源高效利用的因素进行总结和探讨,从地热能利用率、系统综合制热系数、单位地热水量的供热能力个指标对系统进行评测。水热型地热系统的主要设计影响因素水热型地热系统是指由地下水作为载体直接或间接向建筑提供热量的系统,一般由地热井、换热系统、水源热泵和用户末端个主要部分组成,前项属于热源侧系统,对地热能的利用起着决定作用,对其设计中的主要影响因素分析如下。地热井系统地热井数量和间距是决定水量和温度的重要参数。确定地热井数量需采用“以需定产、以灌定
4、抽”原则,对热储条件和回灌能力好的地区可根据项目的用热负荷确定开采量,而热储条件差、回灌困难的地区应根据最佳降深确定经济开采量。地热水温先期受限于地热资源条件,后期则取决于井的位置及间距,通过对一些地热能项目的调研发现,有的抽水井在使用一段时间后温度出现下降,一般把这种现象称为热突破。有研究发现,抽、灌井的间距越小,回灌水受压力场作用大,热突破越快;地热水运移量和抽灌温差较大时也会加快热突破进程;地热井的相对位置受天然水力坡度影响较大,抽水井布于天然径流的上游,会减弱热贯通的影响,且水力坡度越大,越有利于抽水井水温的稳定。换热系统地热水由于水质问题一般设置换热器间接换热,所以换热系统主要考虑减
5、小换热损失。在换热器串并联方式选择和选型计算时,为了减小换热损耗,应以耗散最小为原则。可采用热势能的公式简化为 ()式中为,;为定容热容量,;为温度,;为质量,;为比定容热容,()。从式()可知,只是热容量和温度的函数。耗散的程度随两侧流体热容量的比值而变化,热容量差值越小,耗散越小;当热容量不变时,换热器两侧的冷热流体温差越大,不可逆程度越大,耗散越大,换热效率就越低。水源热泵系统热泵机组可以利用低品位的热源,是发挥地热资源最大效益的必要措施。一些地热能项目考虑初期投资和运行费用等因素,不设置水源热泵仅靠地热水温满足供暖需求,地热资源并没有被充分利用。根据水源热泵机组性能,蒸发器入口水温高,
6、系统的制热效率 、二次侧供水温度也相应提高。当水 温超过 时,受蒸发温度限制,值增加不明显,常规的水源热泵机组蒸发侧进水温度范围为 ,当地热水温高于 时可通过换热设备或储热水箱降低进水温度。当承担相同热负荷时,蒸发器侧大流量小温差比小流量大温差的效率更高,所以在热源测流量一定时,水源热泵机组两级串联,比并联使用更能提高供热能力,同时降低回灌水温。水热型地热系统在建筑项目中的设计应用实例以北京市顺义古城村项目一期、二期工程为例。一期工程已建成投入运行多年,建筑供暖采用换热器锅炉的方式;二期工程在一期基础上进行了改造和扩容,增设水源热泵机组。对两期工程设计和运行数据进行对比分析,从而对水热型地热系
7、统进行综合评价。暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热 项目概况及地热资源测试结果一期工程占地 万,建筑面积万,包括别墅区、度假区及服务区。该区属温榆河冲洪积平原第四系发育,热储层条件好,距别墅区 左右打口深井,井深分别为 、,为供暖及洗浴用水提供热源。深井间距 ,抽灌互替。深井水温略高于 深井,故以后者为测试对象,井温、抽灌水量测试结果见表、(表中数据摘自于顺热灌地热井测量情况简报,井口温度)。表井温测试结果深度地质水温 第四系粘砂夹粉沙、细砂、中细砂、中粗砂 侏罗系紫红色、灰绿色、灰白色凝灰岩 石炭系黑色炭质页岩夹煤和灰白色石英砂岩 奥陶系灰白色和灰黑色灰岩 寒武系紫红色页岩及黑色灰岩 青白口系
8、黑色炭质页岩 平均 表抽灌水量测试结果:出水量()回灌量()一期工程运行实测与问题分析根据抽灌结果数据,确定“以灌定抽”原则,以回灌量确定抽水量,用户负荷不足部分采用锅炉辅助供热。深井水一部分通过板式换热器间接换热后用于供暖;另一部分通过浮头式换热罐用于加热洗浴用水。别墅区末端系统形式为散热器,酒店等服务管理用房为风机盘管和空气处理机组,大堂、泳池为地板辐射供暖,换热器采用串、并联组的两级换热,一级换热供散热器系统,换热量按别墅区供暖负荷的 作为基础负荷设计,锅炉作为调峰热源;二级换热用于空调系统和地板辐射系统。其中别墅区供暖设计热负荷为 ,地热水提供 ,空调和地板辐射系统分别为 、,加热洗浴
9、用水为,全部由地热水提供。改造前、后水热型地热系统供暖原理图(仅包括热源侧换热部分)分别见图、。该项目运行一段时间后,于 月某日对系统进行测试,实测数据见图、表。图改造前水热型地热系统供暖原理图图改造后水热型地热系统供暖原理图图测试日室外温度分时测试值表系统各点温度设计值与实测值比较 、设计温度 测试温度 表系统各点流量设计值与实测值比较 设计流量()实测流量()实测与设计比值 通过以上实测数据与设计值的对比分析,可以看出:)地热井系统:地热井抽水温度实测值高于设计值,往期数据显示也比较稳定,抽灌井之间并没有出现热突破现象。但是,地热井水温与进入换热器前水温有 温差,究其原因跟地热管道埋设较长
10、、敷设深度不够导致沿途管道热损耗有关。通过动态监测回灌压力及动水位,当出供暖供热暖通空调 年第 卷增刊表系统供热量及效率比较(不含锅炉)地源侧系统供热量用户侧系统供热量地热水供热量()运行耗电量()系统综合制热系数地热能利用率供热效率设计 运行 运行与设计比值 现压力和水位上升时,由于原设计采用两井抽灌交替运行,实际运营时采用了由回灌压力控制抽水井中回灌管道的阀门开启,将部分地热水排至抽水井中,由于回灌温度高且排至抽水井中水量少,两口深井并没有出现明显的水温、水量下降情况。)换热系统:根据耗散最小原则,在换热器面积及热负荷不变的情况下,通过厂家对换热器两侧的冷热流体温差和热容量的测试分析,两侧
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