地热梯级利用结合地源热泵供冷供热系统的应用

摘 要：以某学院新校区项目为例，介绍了利用热泵分级提取地热，更加充分利用地热能的供热、供冷工程设计方案，并与常规能源方案进行对比。

关键词：地源热泵系统；地热热泵；节能环保

1 工程概况及设计负荷

本工程为某医学院新校区，位于天津市东丽区。工程总建筑面积246345m2。计算夏季冷负荷16463kW；冬季热负荷18094kW。生活热水最大用水量55m3/h

2 地质条件分析

工区位于渤海裂谷盆地，地下8～16km间存在低速低阻层，厚约4～8km。为具有开发价值的地热异常区。至2008年区内共有地热井6眼，用于供暖及生活热水，热利用率64.7%。深层地热井深2300米，取水深度1700～2300m，单井水量120m3/h，水温90℃。潜层地热井深1200米，出水量60m3/h，水温60℃。

根据地勘该区域地层150米内岩性颗粒较细，回灌困难，不适宜采用水源热泵，宜采用地源热泵。

3 设计思路

3.1 末端系统确定

本工程公寓楼建筑面积4.5万m2，冬季采暖热负荷2250KW，末端系统采用散热器采暖，供回水温度为80-60℃；其它建筑总计建筑面积20万m2，末端采用风机盘管空调系统，空调供回水采用大温差（7℃）输送，2管制。生活热水拟钻凿一口潜层地热井，井水处理后直接使用。

3.2 能源及供热方案分析

该项目供热可利用的能源有天然气、土壤热能、地热能（90℃水）。

利用天然气方案：冬季用燃气锅炉供热，夏季用冷水机组供冷。锅炉燃烧有大气污染物排放；夏季冷水机组工况受外界气温等条件影响较大，COP值较低；还需建设燃气调压设施；运行费用高。利用土壤热能方案：冬夏季都利用地源热泵系统供热、供冷。该系统不污染环境；运行费用低；但全部使用地源热泵系统，钻凿地埋孔数量较多，打孔区域不足。利用地热能方案：运行费用及初投资都较低。但单纯利用地热能直接换热来供暖，其能源利用率较低。

以地热结合地源热泵综合能源利用方案作为方案一推荐：打两眼深层地热井用于建筑供暖，一眼抽水，一眼回灌，设置水源热泵机组深度提取地热能源，提高地热利用率，夏季采用冷却塔保证水源热泵机组供冷；对于单眼地热井供热量不足部分设置地源热泵补充供热；夏季工况首先采用地源热泵机组和水源热泵机组供冷，供冷量不足时设置离心式冷水机组补充；打一口潜层地热井供生活热水。

方案二是采用常规能源，燃气锅炉供暖及生活热水，离心式冷水机组供冷。

对2种设计方案进行比较分析。

4 供热、制冷站系统方案设计比较

4.1 地热结合地源热泵综合能源利用方案

4.1.1 供热方案。为保证采暖系统水质，设置板式换热器，地热水间接供给冬季采暖用热。为提高地热利用率，设计分级供热，95℃地热井水分级放热，温降至8℃回灌。

一级供热：通过板换供给散热器采暖系统，板换一次侧地热水温度95/78℃；二次侧散热器系统供回水温度80/60℃；二级供热：通过板换供给风机盘管空调系统，板换一次侧地热水温度78/42℃；二次侧风空调系统供回水温度45/38℃；三级热泵供热：通过板换供给热泵机组蒸发用热，板换一次侧地热水温度42/25℃；二次侧热泵机组进出水温度40/23℃；热泵机组供给风机盘管空调系统供回水温度45/38℃；四级热泵供热：通过板换供给热泵机组蒸发用热，板换一次侧地热水温度25/8℃；二次侧热泵机组进出水温度23/6℃；热泵机组供给风机盘管空调系统供回水温度45/38℃。

深层地热井水经四级换热，共可产生热量12886KW，不足部分（5208KW）设置地源热泵机组。

4.1.2 系统主要设备配置及运行费用测算。散热器采暖系统：配置一级板式换热器2台，每台换热量1200KW；空调系统利用地热供暖部分：配置二级板式换热器2台，每台换热量2500KW；三级板换1台，换热量2600KW；四级板换1台，换热量2800KW；三级板换配置1台2600KW的热泵机组；四级板换配置1台2800KW的热泵机组；空调系统利用地源热泵部分：配置2台2600KW的地源热泵机组。统计整个系统总的配电容量为3987.9KW。

经测算地热结合地源热泵系统冬季供暖运行费用95.34万元/年、3.88元/m2；夏季制冷运行费用273.34万元/年、13.6元/m2；生活热水24.9万元/年。

4.2 常规燃气锅炉结合冷水机组比较方案

配置5台4200KW的燃气锅炉，供给建筑冬季采暖和全年生活热水；配置5台3400KW的离心冷水机组，供给建筑夏季空调。配电容量依据夏季工况进行分析，统计整个系统总的配电容量为4070.0KW。

经测算常规能源系统冬季供暖运行费用437.11万元/年、21.7元/m2；夏季制冷运行费用308.45万元/年、15.0元/m2；生活热水运行费用41.75万元/年。

4.3 综合比较分析

经比较常规能源系统方案不需钻凿地埋孔，不需钻凿深层地热井，初投资较低；但需建立燃气调压站，且运行中产生大气污染；地热结合地源热泵系统在各项运行费用上都大幅度降低，其静态回收期仅4～5年，且更环保。从后期运行效益分析，地热结合地源热泵综合能源系统优于常规能源系统，这种能源综合利用方案在具备地热资源的地区值得借鉴。

参考文献

[1] 马最良，姚杨，姜益强.暖通空调热泵技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 蔡义汉.地热直接利用[M].天津：天津大学出版社，2004.