利用深井地熱水作為輔助熱源的水源熱泵系統節能分析

摘要本文介紹了北京工業大學進行深井地熱供暖示范工程項目和地熱能梯級利用技術研究兩個項目的中試工程綜合情況。文中介紹了為本校經管學院樓中2000平米辦公區地熱供暖中試工程系統概況，利用深井地熱時熱泵的選擇及熱泵的COP值，系統設計時的考慮因素，動態實驗，地熱利用開式系統的運行總效率η，地熱利用率ξ之間的關系等。

關鍵詞深井地熱梯級利用水源熱泵建筑物采暖

一、概述

深井地熱水在世界上的廣泛應用有很長的歷史。美國西部的深井地熱區，井深300-400米左右，即可開鑿出80-90℃的地熱水，從地下環境保護的角度來考慮，美國各州有不同的政策，但總的不主張使用開式系統，如果使用，嚴格要求同層回灌。法國的低焓能含水層熱水熱不溫在50℃以上，井深由幾百米至1000-2000米不等，其應用實現了梯級利用，并且嚴格實行"對井"制，即一個生產井，一個回灌井。巴黎盆地的地下水位，20年來，基本上維持水位不降，是很了不起的成就。波蘭持下含水層熱儲的水溫為30-130℃之間，并采用了多種利用技術。我國地熱水供暖有較長歷史的應必天津和塘沽地區，但其尾水溫度較高，近幾年來，天津采用先進技術，嚴格實行"對井"制，使地下水位逐漸回升。

北京是世界上為數不多的，有深井地熱水資源的首都之一。過去30年來，共開鑿了深井地熱水井200口左右，130多口井在正常使用。由于多數地熱井水溫在40-60℃之間，限于合理利用的溫泉別墅。很少的幾例用于地熱直接供暖。1999年，在北京城南發現深度3800米處的88℃的地熱水。申辦2008年奧運會以來，北京有關部門進行了全面的物探，發現了三大塊地熱田，水溫達70-80℃，井深達3500米左右。北京的深井地熱水位每年下降2米，從可持續發展的角度，考慮深井地熱水的利用技術和回灌技術至關重要。

二、中試工程的建筑物及負荷特點

1．建筑特點：該樓為原有建筑物。辦公和實驗室部分為2000平方米的五層建筑，周圍有與之相連的兩層教室共10000平米。中間有20米高的玻璃拱頂中廳，周圍八個外門，供疏散用。由于"煙窗效應"，冬季室外的冷風通過常開的東大門大量灌入室內，致使大廳溫度6℃左右，周圍五層房間的內墻變成了散熱的外墻。加上各辦公室單層的大玻璃窗有冷風滲透，還限于施工時的經濟狀況，外墻保溫作了簡化處理，致使冬季室溫在13℃左右。

2．負荷特點：經計算冬季采暖設計負荷約為120W/m2。由于是辦公樓，每日工作時間為8：00-20：00。夜間及周末或節假日，室溫只需維持10℃。熱負荷比冷熱負荷小。

三、中試工程系統設計方案考慮

1．回灌水溫度和回灌水量的考慮：本校地熱回灌井井深2000米，比生產井深400米。對于允許的回灌量，回灌溫度，對熱儲的影響，需要相當長的時間實驗認定。因此，一方面要盡量使用地熱水的熱能，維持到一定的尾水溫度比如20℃以下峰值負荷時，可以嘗試短時間到10℃左右，觀察其長期影響。另一方面，在非峰值負荷時，也要減少抽取地下的熱水量，不使大量熱水在較高溫度下回灌，比如：盡量避免25℃以上的水溫回灌。

2．對地熱水利用率ξ的考慮：回灌溫度直接影響到地熱能的利用率。因為地熱能的能量，目前是依地熱水溫度降至當地全年室外平均溫度作為基準計算的。深層地熱水的抽出不僅消耗潛水泵的能量，蘊藏著被污染的可能，還涉及未知的回灌井的工作狀況。

3．對地熱水直接利用級的考慮：本校共有地熱生產井兩口，生產井的水溫均在52℃左右，兩口井的出水量均大于或等于70m3/hr。52℃左右的地熱水，經過板式換熱器后，循環水可達50℃左右，直接利用級采用的是風機盤管機組，其消耗的功

率，僅為循環水泵的功率。

4．對峰值負荷的考慮：由于北京的多數建筑，制冷負荷大于采暖負荷，可以以部分熱泵兼作為峰值熱負荷。區域鍋爐房提供的熱源，也可以做峰值熱源用。

5．對使用熱泵的考慮：選擇水源側能耐受進口水溫為30-35℃地熱水的熱泵，使之具有較高的熱力循環COP值。按照ARI-320標準，水源熱泵供熱工況下，水源側進口水溫控為21℃，按照ARI-325標準為10℃及21℃。因此，一般廠家不提供能耐受ESWT為30-35℃的熱泵。選擇了美國ClimateMasterInc的GSW-120型水-水熱泵。廠家建議使用中ESWT不超過35℃。后來運行證明性能良好，特性曲線由研究提供見圖1，2，3，4。

圖1熱泵COP與水源側出水溫LSWT

圖2熱泵COP與負荷側出水溫LSWT

圖3深井地熱水水源側進水溫與制熱量關系

圖4熱泵不源側水量與水溫降關系

四、中試工程使用的系統及儀表

綜合以上考慮，本中試系統如圖5所示。測試使用的儀器的不確定度：見表一

1-生產井2-回灌井3-水處理設備4-板式換熱器

5，6-地熱直接利用極7-地熱作為輔助熱源的間接利用級8-終端采暖和制冷設備

T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T1，T11，T12，T13，T32，T39--溫度傳感器

圖5中試工程實驗系統及儀器

直接測試參數和計算參數的不確定度表一基本參數計算參數水溫水溫差空氣溫度水流量輸入電功率制熱量熱力循環特性系數總效率TΔTTWNQCOPη(KW)(KW)11±1%±2%±2%±2%±2%±%±%±%

五、運行效果及系統評價

1．運行效果：地熱水經過板換熱后，直接供暖及熱泵間接供暖的建筑物，冬暖夏涼。大廳16℃左右，溫度梯度合理。室溫由用戶自行控制，部分由計算機網張控制，一般在22℃左右。凡是有計算機網絡控制的房間，室溫都比較合理，在夜間不供暖時室溫降至12℃-16℃左右。動態測試一個半冬季，用戶滿意。

2．系統評價：

主要計算公式：

COP=Q1/N1

η=∑Q/∑N

ξ=/

式中：

∑Q=Q1+Q2

Q1=W2

Q2=W1

∑N=N1+N2+N3+N4+N5+N6

式中符號：COP--熱泵熱力循環特性系數T01--地熱流體供水溫度N1--熱泵輸入功率T02--地熱流體回灌水溫度N2--潛水泵輸入功率T1--熱泵水源側進水溫度N3--地熱水管道泵輸入功率T2--熱泵水源側出水溫度N4--水源側循環水泵輸入功率T4--負荷側回水溫度N5--級負荷水泵輸入功率T5--負荷側出水溫度N6--級負荷水泵輸入功率Tave--年平均空氣干球溫度Q1--熱泵制熱量W0--地熱流體的流量Q2--直接利用級的散熱量W1--水源側水流量∑Q--系統散熱量總和W2--負荷側水流量∑N--系統輸入電功率的總和ξ--地熱流體熱能利用率η--地熱供暖系統的總效率

3系統總效率η：實驗結果如圖6所示

地熱水尾水溫度T02越低，系統總效率η越低。熱泵的COP也越低。

負荷側供水溫度越低，系統總效率η及熱泵的熱力循環總效率COP也虎高

4地熱水熱能利用率ξ：實驗結果如圖7所示。不采用過大的ξ值，總效率η會有所提高。

圖6不同運行條件下總效率η與地熱水回灌溫度T02之間的關系