浅谈水源热泵与地热井的综合利用

浅谈水源热泵与地热井的综合利用摘要：本文结合工程实际，介绍了地热井水梯级利用的方式。地热井水及其洗浴尾水通过水源热泵将其能量提取作为空调系统的热源。关键词：地热（Earth'sinternalhotwater）、水源热泵（Water-sourceheatpump）、洗浴尾水（BathWastewate）、地热梯级利用（CascadeuseoftheEarth'sinteriorhotwater）、正文：地热是一种在合理利用条件下可再生的清洁能源。地热资源的利用可以大大降低煤炭、石油等的消耗，有利于减少二氧化硫等的排放，改善居住环境。国家鼓励合理的进行地热资源的开发利用。山东省已探明四个地热分布区：鲁东、沂沭断裂带、鲁中南及鲁西北。地热资源并非取之不尽、用之不竭，为保持地热资源的永续开发利用，山东省地矿局在德州、威海进行了地热回灌试验；地方管理部门已经采取了GPRS自动化远程监控系统对部分地热井进行监控。一、聊城市地热利用现状据了解聊城市目前已测算出的地热总面积达1806.21平方千米，占全市土地总面积的21％，共开采地热井20眼，聊城城区范围内已开采地热井13眼，多为房地产公司、宾馆饭店、大学等企事业单位开发利用，主要用于住宅小区供热、洗浴等。二、地热井利用方式的对比我公司拟建项目欲采用一眼地热井用来做洗浴。一眼地热井的出水量根据聊城市已建项目的情况可以达到120m3/h,出水温度可以达到55℃左右。根据聊城市其他项目对于地热水的利用方式--直供直排方式（图1），地热水从地下取出后，直接进入建筑物用户室内散热器，地热水热能利用率极低。直排直供的利用方式，按地热井水量120m3/h，出水温度55℃，空调末端出水温度45℃则(1)、Q：地热水供热量(kw)；Q＝1.163m△tm：地热井用水量(m3/h)；△t：供热过程供回水温差（℃）；55-45=10℃计算Q=1395.6kw(2)、供暖面积：η：管线损失系数，取1.05qF：单位面积热指标，参照北京地区不同建筑物的采暖指标，连续供暖取50w/m2。计算s=2.7万m2远远无法满足7万平方米酒店的洗浴和冬季空调需求。但是对于5万平方米左右采用地板辐射采暖的住宅小区和单纯洗浴使用，均可满足要求。为了对于地热井进行综合利用结合酒店的中央空调系统我们采用下面的方式—利用水源热泵机组对地热水进行梯级利用（如图2）。此种方式可以将地热井水和洗浴尾水内的热量通过热泵机组提取出来，最后回灌水（向周围环境排放水）的温度可以达到10℃，按照上述计算方法，一口井至少可以带12万平米左右的采暖，可以满足酒店的采暖和洗浴需求。三、初步设计方案1、工程概况工程概况：****项目，总建筑面积约为50700㎡，其中接待部分建筑面积为4700㎡，餐饮建筑面积为4900㎡，会议建筑面积为4670㎡，娱乐建筑面积5950㎡，住宿建筑面积20780㎡，贵宾楼7500㎡。酒店内有恒温游泳池，水面面积为402㎡，淋浴喷头26个，客房可住人数约为194人。现有热源为地热井，可出50～55℃的热水。要求满足整个酒店的制冷、采暖及全年的卫生热水需求。技术方案：考虑现有热源水，推荐采用蓝德生产的标准型满液式水源热泵机组，满足该建筑冬季采暖、夏季制冷及全年提供卫生热水需求。由于热源水温度较高，夏季散热困难，建议利用冷却塔辅助散热，以达到节省运行费用，增加经济效益的目的。2、空调设计依据1）．GB50243-2002《通风与空调工程施工及验收规范》2）．GBJ23-96《机械设备安装施工及验收通用规范》3）．TJ304-74《建筑安装工程质量检验评定标准》4）．TB1223-86《通风空调机安装技术标准》5）．GB50235-97《工业管道工程施工及验收规范》A.空调负荷的确定建筑建筑面积（㎡）冷负荷指标（W/㎡）总冷负荷（KW）热负荷指标（W/㎡）总热负荷（KW）接待部470012056470329餐饮部490015073570343会议室467012056070327娱乐部595015089370417客房部207801002078801662贵宾楼750010075080600总计48500—5580—3678B、卫生热水负荷确定1.该大酒店，约有194个床位。该建筑的自来水温度暂按15℃计算。该酒店卫生热水最大小时用量为：Qh=Khmqr/T式中Qh—最大小时热水用量Kh—小时变化系数m—用水计算单位数qr—热水用水定额T—热水供应时间Qh=5.61×194×120L/24=5.44m3/h.卫生热水负荷为5.44×1.163×（50-15）≈221KW2.现有淋浴喷头26个。该洗浴中心卫生热水最大小时用量为：Qh1=Σqh·n0·b式中qh—最大小时热水用量；n0—同型卫生器具数；b—在一小时内卫生器具同时使用的百分比；Qh1=150×26×0.5=1950L/h=1.95m3/h卫生热水负荷为1.95×1.163×（50-15）≈79KW3.402㎡泳池热水负荷确定游泳池的402m3的温水，热负荷按每平方米水面0.4KW估算，假设水池的水面面积为200m2，则水池的加热负荷为：402m2×0.4KW/m2=161KW则卫生热水总热负荷为221+79＋161=461KWC、方案说明及主机性能参数：根据该建筑的功能及特点，经过方案论证，我们推荐以下技术方案：推荐末端采用风机盘管水系统，推荐机房选用2台型号为GSHP-C1908D标准型满液式水源热泵机组，1台型号为GSHP-C0628DS完全热回收型满液式水源热泵机组及1台型号为CTSC-1876满液式冷水机组（注释1）。所选的标准型满液式热泵机组与满液式冷水机组均为双机头机组，即每台机组有两个压缩机，因此整个系统共7台压缩机，互为备用，提高系统的安全性及可靠性，且还可根据酒店的入住率通过开启压缩机的台数进行部分负荷的调节，以达到节省运行费用的目的。由于热源水温度较高，冬季利用板式换热器提取地热井水中的热量进行采暖，夏季利用冷却塔进行辅助散热。冬季采暖如图所示。冬季：2台GSHP-C1908D主机满足该酒店的采暖需求，GSHP-C0628DS完全热回收机组专门制取卫生热水；夏季：四台主机全部开启，共同承担该酒店的冷负荷需求，且GSHP-C0628DS主机在制冷的同时回收系统的热量制取卫生热水，基本为免费；过渡季节：GSHP-C0628DS主机专门制取卫生热水。所选GSHP-C1908D机组技术参数如下：热水用户热水循环泵二次水循环泵2108m/h50℃45℃3351m/h15℃7℃10℃51m/h318℃蒸发器冷凝器GSHP-C0628DS一级板换一级板换一级板换蒸发器冷凝器GSHP-C1908DGSHP-C1908D冷凝器蒸发器地热水50℃81m/h334℃34℃381m/h18℃排水3161m/h15℃7℃7℃15℃161m/h345℃40℃328m/h3340℃45℃328m/h热源水取水泵二次水循环泵1二次水循环泵1系统水循环泵风机盘管地热水梯级利用示意图所选GSHP-C0628DS机组技术参数如下：项目制冷的同时制取卫生热水制卫生热水制冷量627KW—制热量467KW627KW系统水温度12～7℃—流量80m3/h—热源水温度—15～7℃流量—51m3/h卫生热温度45～50℃15～50℃45～50℃15～50℃项目制冷制热机型GSHP-C1908D制冷（热）量1668KW1910KW系统水温度12～7℃40～45℃流量287m3/h328m3/h二次水温度—15～7℃流量—161m3/h热源水温度30～35℃50～34℃流量345m3/h81m3/h输入功率340KW410KW能效比4.914.66水流量108m3/h15.4m3/h108m3/h15.4m3/h输入功率149KW149KW能效比4.214.21所选CTSC-1876机组技术参数如下：注：以上四台机组总制冷量为5679KW；总制热量为3820KW；均能满足该酒店的制冷及采暖需求。四、结论：本方案除可以节省热力增容费用及昂贵的燃气开口费用（聊城市热力增容每平方米25元，燃气开口费用按照日最大用气量每方680元），其运行成本也是比较低的。参考文献：《地源热泵尾水利用》，北京华清集团；烟台蓝德空调技术样本资料；项目制冷制冷量1876KW系统水温度12～7℃流量323m3/h冷却水温度30～35℃流量388m3/h输入功率378KW能效比4.96注释一：1，满液式是相对于干式说的，指的是换热器的形式，换热器形式为壳管式换热器（用作蒸发器或者冷凝器），满液式指管程走水，壳程走制冷剂。2，“满液式冷水机组”，是对一种制冷机组的习惯命名法，这种“冷水机组”一般用于中央空调的冷源，或者空调工况的制冷，输出的是低温的冷水，通常叫做“冷冻水”，故而得名。一般把只能制冷的叫做冷水机组，而能同时制热的，我们叫做“热泵”机组。热水用户热水循环泵二次水循环泵2108m/h50℃45℃3351m/h15℃7℃10℃51m/h318℃蒸发器冷凝器GSHP-C0628DS一级板换一级板换一级板换蒸发器冷凝器GSHP-C1908DGSHP-C1908D冷凝器蒸发器地热水50℃81m/h334℃34℃381m/h18℃排水3161m/h15℃7℃7℃15℃161m/h345℃40℃328m/h3340℃45℃328m/h热源水取水泵二次水循环泵1二次水循环泵1系统水循环泵风机盘管地热水梯级利用示意图而“满液式”是指机组所用的“壳管式蒸发器”采用了“满液式蒸发器”的形式，这是区别于“干式”、“降膜式”的一种壳管式蒸发器。它的“壳程”内走制冷剂循环，“管程”内走冷冻水循环，从剖面上看，就好像是筒体里有大半筒制冷剂，而走水的管束浸泡在制冷剂里。它和“干式蒸发器”刚好相反，干式的是“管程”走制冷剂，“壳程”走水，好比制冷剂管束浸泡在水里。满液式蒸发器，以及满液式机组，比起干式蒸发器/干式机组来说传热效率更高，出水温度与蒸发温度的趋近温差小，沿程阻力小，适合循环量大的机组（比如离心机），制冷效果好。但是制冷剂充注量要求大，并且需要专用的回油系统，帮助压缩机回油。如果在机组名字前再加上“水冷”，则是指机组的冷凝器形式，采用水冷却还是空气冷却，分为风冷、水冷。如果再加上压缩机的形式“活塞式、螺杆式、离心式”，那么就是完整的机组命名了。比如“水冷螺杆满液式冷水机组”。在大部分场合，为了简略，会省却其中一两个部件的名称，只提和上下文相关的名称，比如“满液式冷水机组”（可能是只为了强调“满液式”）。热回收：热回收机组通过回收冷却水系统中的散热量，用于加热、余热生活热水或生产工艺热水，不但可以实现废热利用，减少冷凝热对环境产生的热污染，又可减少冷却塔的运行费用和噪声。热回收技术应用于低温热水的预热，使其热交换效率更高；应用于高温热水的加热，会增加冷水机组的功耗，但总功耗相对于用锅炉加热来讲还是节约很多的，所以无论是利用热回收进行预热还是加热热水，都可以节省大量的系统运行费用。普通冷水机组工作原理：普通冷水机组将冷冻水系统中的热量吸收并释放到冷却水系统中，由冷却水系统通过冷却塔将这些热量直接散发到大气环境中去。一台1000冷吨的冷水机组的最大排热量相当于一台7吨的热水锅炉供热量。特点：热回收机组的制热效率远远超过各种锅炉，同时又为空调系统提供冷量，是优秀的锅炉替代品。适用于同时需要冷量和热量的项目。热回收机组运行必须有足够的基本冷负荷，通常将热回收机组与其他单冷机组组合在一个系统中。热回收机组可分为部分热回收和全热回收两种：部分热回收出水温度一般在60℃以上，理论上可无限接近于压缩机排气温度；全热回收出水温度一般在45℃左右。部分热回收适用于用户的制冷需求远远大于制热量需求的场合。主要应用于大型冷水机组，特别是离心式冷水机组中。