水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析.pdf

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，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、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，两侧热容量无论哪侧流量增大，总的耗散率都会变小，增大热源侧进口温度与冷源侧出口温度差值，耗散率增大，但差值过小导致换热器选型过大不经济，故确定一级换热温差为，二级换热温差分别为、。实测供热效率低于设计效率值，一方面跟热容量减小和冷热流体间温差增大有关，但主要原因是地热水含有多种矿物质及离子，净化设备处理效率低，高温下结垢影响了换热效率。）系统控制调节：通过表中数据，用户侧散热器系统回水温度和供回水温差均与设计值偏差较大，实际供热量仅为设计值的，而地源侧供热量仍为，虽然抽灌水泵采用变频水泵，可以根据室外气温及回灌水温进行变流量调节，但是运行能耗并没按相应比例减少。两级换热器串联，当别墅供暖在非满负荷状态时，系统调节能力不够且存在滞后性，导致换热后的回水温度升高，后期改造建议在、换热器前设旁通管，当回水温度高时可通过电动两通阀旁通部分流量，地热水增设调节水箱，当尾水温度高于设计值时，可以进入调节水箱与地热水混合后再被循环利用，改造后的系统如图所示。）运行效果：该项目大部分为别墅，空置率较高，测试时正是酒店运营高峰期，入住率达到，多数时间供热负荷不足设计全部热负荷的，地热水抽灌量一般不超过 。根据运行反馈，锅炉作为调峰热源基本不运行，仅靠地热水保证其基础负荷，主要房间室内温度不低于，系统运行稳定。）地热利用率：由于项目建设较早，对回灌温度、地热能利用率没有限制，换热后 地热水未再被利用，直接回灌地下，导致地热利用率不足。根据 城镇地热供热工程技术规程 中“地热能利用率不应小于”的规定，该项目的回灌温度需要达到 以下才能满足。为了能从低品位的地热资源中继续提取热量，需要通过水源热泵机组进行提温增效。二期工程改造扩容设计与探讨开发商拟定进行二期开发，主要功能为养老公寓，规划建筑面积为 ，新增供暖负荷约为 ，末端采用地板辐射系统。经测算确定利用现有抽水井的全部抽水量，其余由热泵机组满足。原有地热井回灌量低于总抽取量、回灌速率慢，确定一抽二灌的方案，新增口回灌井并进行 同层回灌。考虑波动性及安全系数，原有供暖系统抽水量按设计流量 、新增水量按 设计，经计算无法满足新增供暖负荷，故将原有空调和地板辐射系统的地热水也经水源热泵机组提热，散热器供暖系统仍保留原状，根据供暖负荷选用台水源热泵机组，每台按热负荷的 选型。水源热泵机组串、并联方案同样也影响系统的综合制热性能。以蒸发温度为 和 的水源热泵机组的厂家参数为例，前者制热量为 、为，后者制热量为 、为。通过对台机组并联（进口温度均为 ）和串联（进口温度分别为、）的方案比较发现，因后者尾水回灌温度降低为，系统总供热量增加了 ，地热能的利用率增加了，系统的 降低。尽管串联使耗电量增大，但更能充分利用地热能，故设计方案采用热泵机组串联设计。此次改造扩容后的供暖系统设计如图所示（仅包括热源侧换热部分，二期用户生活热水系统另行设计）。图二期水热型地热供暖系统热源侧原理图图中，水源热泵机组蒸发器进出口温度为 ，对应的换热器分别为原有空调、地板辐射系统的 和 及新增地热水的 ，其中 的高温侧进口温度为新增地热水和经、换热后的回水混合之后的温度，经 换热后进入换热器，最终以 尾水进行回灌，对应水源热泵机组，蒸发器进出口温度为。系统各点温度、流量设计值分别见表、；台热泵机组在满负荷运行和单台机组在 负荷下运行时对应的设计参数见表（室外温度为）。暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热表系统各点温度设计值 、表系统各点流量设计值 表种工况下地热系统设计参数（不含生活热水系统）新增抽水量（）回灌温度热泵蒸发侧进出口温度热泵制热量热泵制热性能系数供暖系统总制热量地热水供热量（）地热能利用率系统总耗电量（）综合制热性能系数台机组满负荷运行 ，台机组 负荷运行 种工况对比 通过一期、二期工程对比，一期未采用热泵机组，低品位热源未得到利用，地热利用率低，虽然耗电量少、制热系数高，但是单位地热水量所能提供的热量低；二期增设了热泵机组，在种不同负荷下以梯级利用串联的方式与单台进行比较，尾水回灌温度被进一步降低，地热利用率、供暖能力都有较大提升，即使机组的耗电量增加、系统综合制热性能系数降低，但是单位地热水量中可被利用的热量近乎是不设热泵时的倍多。由此可见，利用地热能供暖仅通过地热利用率和制热性能系数来衡量并不全面。首先，地热利用率仅是考量地源侧的利用率，并未对换热设备、热泵及整个系统的供热能力进行考量，忽略了系统的热损失，也未考虑地热水量与回灌温度间的关系及热泵机组的制热能力，以单位地热水量为用户侧提供的有效热量作为评价指标对于方案选择更具有指导意义。其次，通过热泵机组可降低回灌温度，提升供热能力，但也使系统制热性能系数降低，为了能在两者之间找到最佳效益点，建议设计时，在满负荷状态下考虑单位地热水量供热能力最大化，而在非满负荷状态下，宜考虑系统综合制热系数最大化从而减小运行能耗。结论与建议）地热井的抽灌水量及水温的稳定性是地热能可持续开发的前提，也是决定地热能有效利用的基础，回灌量既决定抽水量也决定供热量，设计时应以地热水的回灌量作为方案的确定依据。当回灌速率低于抽取速率且差值不大时，在不影响供暖温度下，可采用部分回水排至抽水井或设置水箱平衡水量，利用负荷的峰谷期使峰时水量回流水箱，减缓回灌速率。抽灌温度决定了地热能利用率，地热井的相对位置不合理与间距过小都会产生热突破现象，设计时应充分考虑抽灌井之间温度场与相对位置间距的关系。）对于别墅和酒店等性质的项目，冬季大部分时间在 负荷下运行，按满负荷计算地热井数量及抽灌水量对地热能是种浪费，可以采用其他热源作为调峰热源。抽灌水量应能根据室外温度的周期性变化和用户侧负荷进行变流量调节，当回水温度高于设计值时，既可通过变频式泵控制抽灌水量，也可控制部分回水进入水箱与地热水混合，降低供水温度，从而减小抽灌水量。）换热系统设计时应以耗散最小为原则，增大换热器两侧的流量或减小两侧温差可以降低耗散率，但是冷热两侧进出口温差过小，换热器面积增大，经济性不佳。采用换热器串联方式与并联相比，既可实现地热能的梯级利用，也有利于减小耗散损失。）对水热型地热系统进行方案比较时，不应仅以地热利用率作为评价依据，尚应考虑整体系统的实际供热量，以单位地热水量为用户侧提供的有效热量作为参考指标更准确全面。）水源热泵机组可以增大供暖能力，降低地热水回灌温度，使地热能得到最大化利用，但也以消耗电能为代价，导致系统综合制热性能系数降低。系统设计时，在满负荷工况下应以单位地热水量供热能力最大化为原则，而在非满负荷工况时以系统综合制热系数最大化为原则。参考文献：朱大龙深层地热水供热回灌井布置方式及取热层热突破 机 理 研 究 济 南：山 东 建 筑 大 学，：杨伟涛，孟宪军，林豹抽灌井布局及天然水力坡度对热贯 通 的 影 响 制 冷 与 空 调，（）：过增元，梁新钢，朱宏晔：描述物体传递热量能力的物理量自然科学进展，（）：丁永昌 中深层地热能梯级利用系统优化研究济南：山东建筑大学，：马闯，任建兴，李芳芹，等 水源热泵串并联机组制热性能比较 上海节能，（）：孙天宇，王庆阳，张健，等水温水量对水源热泵制热性能的影响热力发电，（）：合肥通用机械研究院，深圳麦克维尔空调有限公司、美意（浙江）空调设备有限公司，等 水（地）源热泵机组：北京：中国标准出版社，：天津大学城镇地热供热工程技术规程：北京：中国建筑工业出版社，：中国建筑科学研究院 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：北京：中国建筑工业出版社，：供暖供热暖通空调 年第 卷增刊