地熱溫泉尾水梯級利用+水源熱泵系統研究

地熱是深藏在地下的可再生能源， 距離地面500m到3000m左右。一般以水的形式存在，水被地層中溫度高的巖石層加熱形成熱水，熱水的溫度與所 在位置與地面的高度有關(guān)。一般來(lái)講，深度越深， 水對應的飽和溫度越高，地熱水對應的溫度越高，其溫度可高達 110 ℃，目前地熱水應用最廣泛為溫泉洗浴，其溫度范圍在 40~60 ℃之間，利用之后的熱水在30 ℃以 上，其中大部分被直接排放掉，造成能量的極大浪費，同時(shí)溫泉鉆井的費用較高，也會(huì )造成回收年的延長(cháng)。采用水源熱泵系統對地熱尾水進(jìn)行梯級利用， 滿(mǎn)足周 邊地區供熱需求，大大節省常規能源的消耗，減輕空氣質(zhì)量污染。

地熱梯級利用的兩個(gè)重要設備為耐腐蝕板式換 熱器及熱泵機組。換熱器可以實(shí)現不同溫度介質(zhì)溫度 的轉移， 保證用戶(hù)側的實(shí)際用熱需求。熱泵技術(shù)是利 用地熱能形成的低溫熱能資源， 采用熱泵原理， 通過(guò) 少量的高位電能輸入， 實(shí)現低位熱能向高位熱能轉移 的一種技術(shù)。 地熱水被水泵輸送到地面以后首先進(jìn)入溫泉水 池， 水的溫度一般為 60 ℃， 經(jīng)過(guò)溫泉水池后熱水溫度 降為 40 ℃。由于 40 ℃的高溫水無(wú)法進(jìn)入水源熱泵的 蒸發(fā)器， 因此該熱水先進(jìn)入板式換熱器， 換取更低溫 度的熱水使其進(jìn)入熱泵機組的蒸發(fā)器， 板式換熱器一 次側進(jìn)出水溫度為 40/25 ℃，二次側進(jìn)出水溫度為 6/25 ℃。整個(gè)系統能量的梯級利用原理如圖 1 所示。

從板式換熱器一次側出來(lái)的溫泉水溫度大約在 25 ℃。此時(shí)可以直接進(jìn)入二級熱泵機組的蒸發(fā)器， 其 溫降為 10 ℃， 出水溫度為 15 ℃， 然后在進(jìn)入三級熱泵 機組蒸發(fā)器， 提熱后溫度降為 5 ℃， 考慮到回灌難度較 大、 成本高， 此時(shí)溫泉水可以直接排放。 一級、 二級、 三級熱泵的冷凝器作為用戶(hù)側的高 溫熱源，向用戶(hù)源源不斷地統一供應 50/40 ℃循環(huán)熱 水， 解決采暖需求， 熱量的低溫熱源全部從熱泵的蒸 發(fā)器中汲取。 原有溫泉水熱利用系統的溫差僅為 20 ℃， 采用溫 泉熱水梯級利用之后， 系統的溫差提高到 55 ℃， 相比 于原有系統可以增加熱量利用 2.75 倍。

以山東某小區為例， 該地區供熱溫泉水溫度可以 達到 60 ℃， 溫泉水的水量為 75m 3/h， 未采用熱泵系統進(jìn)行能量梯級利用之前， 溫泉水利用的熱量計算公式 如下。

q =1.163*G*△t

式中： q 為溫泉消耗的熱量， kW； G 為溫泉水的流量， m 3/h； △t 為溫泉水溫差， 20 ℃。 代 入 公 式 可 以 計 算 出 溫 泉 消 耗 的 熱 量 為 =1744kW。采用水源熱泵系統進(jìn)行梯級利用之后可以 進(jìn)一步利用的供回水溫差為 35 ℃， 提供的供熱能力計 算公式如下：

式中： Q 為溫泉熱水梯級利用可以提供的供熱量， kW； △t1 為板式換熱器進(jìn)出口溫差，取 15 ℃； COP1 為一級 熱泵的能效比； △t2 為二級熱泵蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫差， 取 10 ℃； COP2 為二級熱泵的能效比； △t3 為三級熱泵 蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫差， 取 10 ℃； COP3 為三級熱泵的能 效比；通過(guò)初步計算選擇熱泵及板式換熱器的型號， 如表 1。

根據熱泵機組的樣本， 冬季熱泵額定工況下的入 口水溫為 15 ℃。供回水溫差為 8 ℃。而在該系統中熱 泵機組的入口溫度為非額定工況， 為 25 ℃， 切供回水 的溫差為 10 ℃， 因此需要根據機組的工況曲線(xiàn)圖進(jìn)行 修正， 機組變工況曲線(xiàn)如圖 2。 根據變工況曲線(xiàn)圖， 進(jìn)入熱泵機組的供回水溫差 為 5 ℃， 熱泵實(shí)際的出水溫度為 60 ℃， 蒸發(fā)器的進(jìn)水 溫度為 15 ℃，查詢(xún)曲線(xiàn)可得制熱量的修正系數為136%， 輸入功率修正系數為 73%， 則實(shí)際的機組設計 參數修正后如表 2。

為了更好地分析溫泉尾水的經(jīng)濟環(huán)保效益， 將其與市政集中供熱進(jìn)行對比分析，集中供熱收費按照26.7 元 /m2，建筑物累計負荷按照山東省居住建筑標 準進(jìn)行估算為 12727 GJ。 通過(guò)計算對山東某小區溫泉尾水采用梯級利用后， 可以取得良好的經(jīng)濟環(huán)保效益， 每年可以為 93000 m 2 建筑面積供熱， 與集中供熱系統相比， 水源熱泵梯 級利用系統可以提供的供熱負荷為 4185 kW，每年可 以節約標準煤為 506 噸，節省 53.9 萬(wàn)元，回收年限為 5.5 年； 減排 1261 tceCO₂， 37.9 tceSO₂， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉塵，節能環(huán)保效益非常顯著(zhù)， 最大限度地利用淺 層地熱能中溫泉水的余熱資源，從一定程度上減少了 化石能源的消耗，同時(shí)對于環(huán)境污染能起到一定緩解。

溫泉水中的熱水屬于地下淺層地熱能的一種形式， 目前的熱能利用僅限于洗浴， 大部分的熱量被排放掉。如果增加水源熱泵的梯級利用系統，將溫泉水的尾水繼續通過(guò)熱泵進(jìn)行梯級利用，可以為部分建筑供暖，就會(huì )減少常規能源的消耗。由于溫泉直接排放的 熱水溫度較高， 無(wú)法直接進(jìn)入熱泵機組， 因此一級熱泵需要增加中介水系統。中介水與溫泉尾水通過(guò)板式換 熱器進(jìn)行熱量交換， 結合實(shí)際的項目工程， 對熱泵梯級利用系統與集中供熱系統進(jìn)行對比分析， 前者每年可 以節約標準煤為 506 t，節省費用 53.9 萬(wàn)元，減排 1261 tceCO2， 37.9 tceSO2， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉塵，經(jīng)濟回收期年限為 5.5 年， 節能環(huán)保效益顯著(zhù)， 同時(shí)對于環(huán)境 污染能起到一定的緩解。