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            地热结合热泵及调峰锅炉的供热系统设计

            发布时间: 2017-05-10 16:13:24   作者:无   来源:
               1 概述
            地热能属于清洁的可再生能源,开发利用地热能是我国能源发展战略和政策支持的重要内容之一。利用地热水进行采暖,地热尾水可通过回灌井回灌到热储层中,这样可维持热储层的压力,实现可持续地开发利用地热资源。
            热泵是1种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。利用水源热泵回收地热尾水热能,为建筑物供热,同时降低地热尾水排放温度,从而可大大提高地热资源的利用率。
            在地热+热泵供热系统中加入调峰锅炉承担尖峰负荷,可降低初投资,同时使供暖质量更有保障。本文以实际工程为例,阐述了高效利用地热资源,结合热泵技术并辅以锅炉调峰供热,可实现能源的梯级利用,提高能源利用率,同时,可减少化石能源消耗和CO2SO2NOx等温室气体和环境污染物的排放。

            2项目概况
            延庆县具有丰富的地热资源。本项目位于延庆新城,供热面积40×104m^2,均为新建居住建筑,全部采用地板辐射采暖。供热方式采用地热+热泵为主要热源,燃煤集中锅炉房为调峰热源。
            根据建筑物的性质及功能,采暖热指标取45W/m^2,故总设计热负荷为18MW。拟建2个供热站,其中,1#供热站供热面积约18×104m^2,热负荷8.1MW2#供热站供热面积22×104m^2,热负荷9.9MW

            3供暖模式比选
            采用地热供热可以有多种方式,如单独使用地热供热采用地热+热泵的方式供热、采用地热+热泵+锅炉调峰的方式供热。以上3种方式各自有不同的特点。
            1)单独使用地热
            本项目用户室内采暖形式采用地板辐射采暖系统,二次水温度较低。如单独使用地热,需在地热水侧设换热器,供地板辐射采暖系统。在设计工况下,地热水回水温度为45℃,利用温差为20℃。当1对地热井设计流量为100m3/h时,可提供热负荷为2326kW。本项目热负荷为18MW,若采用单独使用地热的方式供热,需打地热井8对。单独使用地热的供热系统,地热水回灌温度较高,地热水中的热能还没有得到充分利用就被回灌到地下。由于地热打井费用较高,前期建设费用昂贵,如果不能充分利用地热能量,将造成整个系统运行成本的大量增加。因此,通常不会选取单独使用地热供热的方式。
            2)地热+热泵
            本项目若采用地热+热泵的供热方式,需在地热水侧设2级换热器。第1级换热器将地热水温度降至45℃,直接加热采暖系统回水;第2级换热器将地热水温度降至25℃,作为热泵机组热源,通过热泵机组加热采暖系统回水。本项目如利用热泵将地热回水温度降低至25℃,在设计工况下,地热水的利用温差为40℃,比单独使用地热系统的利用温差增大20℃,地热水提供的热量增加。同样1对地热井,当设计流量为100m3/h,假定热泵COP=3.5时,可提供热负荷为5582kW。本项目热负荷为18MW,若采用地热+热泵的方式供热,需打地热井4对。经测算,地热+热泵方式的工程建设投资约为210/m^2。另外,运行成本方面,地热+热泵供热方式含设备折旧后的运行成本约为26/m^2,采用地热+热泵的供热方式,可以充分利用地热资源,为满足采暖设计热负荷的需求,需要增加地热井数量或增加热泵机组,同样会使工程投资及运行成本增加。
            3)地热+热泵+锅炉调峰
            本项目若采用地热+热泵+锅炉调峰的供热方式,地热水的利用同地热+热泵方式,只是在供热系统中加入调峰换热器,由调峰锅炉提供的热源加热采暖系统回水。采用地热+热泵+锅炉调峰的供热系统,当锅炉调峰热负荷比例为40%时,1对地热井,设计流量仍为100m3/h,热泵COP=3.5,可提供热负荷为5582kW。本项目热负荷为18MW,扣除40%的锅炉调峰负荷,其余热负荷由地热+热泵方式供应,只需打地热井2对。
            经测算,采用地热+热泵+锅炉调峰的供热方式,工程建设投资约为170/m^2,地热+热泵+锅炉调峰供热方式含设备折旧后的运行成本约为21/m2。故本项目推荐采用地热+热泵+锅炉调峰的供热方式。

            4工程技术方案

            4.1地热热泵供热工艺设计

             

            本项目采用地热+热泵+锅炉调峰的供热方式。地热水与用户系统、热泵系统均采用间接连接方式。本项目地热水共设两级换热器,第一级换热器直接供住宅地板采暖热负荷;第二级换热器通过热泵提取地热水中的热能供应住宅地板采暖热负荷。地热水经两级换热,温度由65℃降低到25℃后全部回灌。
            本项目由地热系统供应基本热负荷,并配备锅炉调峰系统。集中燃煤锅炉房为本项目预留了足够的调峰负荷。锅炉调峰换热器与第一级地热换热器及热泵并联,由锅炉调峰补充地热供热不足。
            热泵循环水、采暖系统二次水,分别设置循环水泵和补水定压系统。原则系统见图1。典型工况下的设计参数见表1

            4.2供热系统运行调节
            地热水供回水温度为恒定,对于采暖系统随室外温度变化而变化的热负荷,通过调节地热水的供水量以满足不同的负荷需求。当地热水供水量达到地热井最大出水能力后,热负荷供应不足部分,由调峰热源补充。
            经计算本项目中,当室外温度等于或高于1℃时,仅利用地热+热泵供热,可满足负荷需求;当室外温度低于1℃时,需加入锅炉调峰系统。本项目需要的最大锅炉调峰水量为80.71t/h。地热水每口井设计流量为100t/h。地热水量随室外温度变化的供水量见图2。调峰锅炉一次水流量随室外温度变化的供水量见图3

            4.3系统供热量及调峰量
            根据供热工程中的相关公式,计算系统年采暖热负荷。本项目年供热量约为16.19×104GJ。其中,地热直供供热量为7.22×104GJ,热泵供热量为5.43×104GJ,调峰锅炉房供热为3.54×104GJ

            5环保效益和节能效益

            5.1环保效益
            本项目实施后,与采用集中燃煤供热系统相比(取锅炉效率为80%,燃煤低位发热值23029kJ/kg),本项目年替煤量6868t,折合标煤约为5396t。经计算,年烟尘减排量0.78t,年SO2减排量1.57t,年NOx减排量11.75t

            5.2节能效益
            本项目年供热量约为16.19×104GJ。采用地热+热泵+锅炉调峰供热系统,调峰锅炉年供热量为3.54×104GJ,热泵机组年耗电量为305×104kW·h。锅炉供热折合标准煤耗煤量为1511t/a;热泵耗电以火电机组发电标准煤耗315g/kW·h、输电损失按10%计算,热泵年耗电折合标准煤1068t。本项目供热折合标准煤耗煤量为2579t/a。因此,本项目采用地热+热泵+锅炉调峰供热系统,与集中燃煤供热系统相比(年耗标煤量6906t),一次能源节约率为63%

            6结语
            1)利用地热资源采暖,可以带来良好的环境效益和显著的节能效益。利用可再生能源,符合国家能源政策。
            2)本项目采用地热+热泵+锅炉调峰供热方式,由地热供应采暖基本负荷,地热井利用率较高,由集中锅炉房供热系统调峰,供暖质量有保障。
            3)采用地热回灌开采技术,可维持热储层压力、延长地热田寿命,防止地面污染和化学污染,是地热开发的理想模式。
            4)采用地热间接供热,避免了地热水对供热系统的危害。
            5)建筑采暖系统采用地板辐射采暖系统,地热利用率较高,充分利用低品位热能。