0概述

熱泵技術(shù)是利用低品位熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱品質(zhì)的提升,為了獲得溫度更高且穩(wěn)定的低溫熱源,最直接的方法是增加取熱點(diǎn)深度。近年來(lái),隨著勘探技術(shù)的發(fā)展和地下?lián)Q熱裝置的研發(fā),深層的地?zé)崮?/a>逐漸被發(fā)掘。其中對(duì)于深度在2~3 km、巖層溫度70~1 00℃的這部分地?zé)?/a>應(yīng)用前景最大。對(duì)于這部分中深層地?zé)崮?/a>,如果能通過(guò)密閉換熱裝置從中取熱,在不破壞地下環(huán)境的前提下可以為熱泵提供溫度更高的低溫熱源,且基本不受氣候條件影響,可以保證熱泵機(jī)組長(zhǎng)期、穩(wěn)定地高效運(yùn)行。

1項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為河南鄭州某小區(qū)的住宅建筑,建設(shè)周期分為一期和二期,總建筑規(guī)模約為70萬(wàn)m2,經(jīng)統(tǒng)計(jì)該小區(qū)供暖面積約為51萬(wàn)m2,根據(jù)原設(shè)計(jì)資料, 一期、二期分設(shè)獨(dú)立換熱站,由各自熱網(wǎng)供給末端用戶,末端用戶為散熱器供暖。由于項(xiàng)目所在社區(qū)市政熱力條件缺乏,居民對(duì)采暖的需求強(qiáng)烈,為保證基本的民生要求,工程考慮采用中深層地?zé)?/a>采暖的方式為居民供熱。按照業(yè)主要求,新建能源站設(shè)置于小區(qū)西側(cè)外圍綠地內(nèi)。

工程的設(shè)計(jì)范圍包括室外取熱井、室外熱網(wǎng)、 供熱站內(nèi)的工藝及附屬設(shè)施設(shè)計(jì)。小區(qū)內(nèi)供熱管網(wǎng)位于地下一層區(qū)域且已敷設(shè)完成并在原鍋爐房?jī)?nèi)起點(diǎn)處預(yù)留接口。鑒于此次供熱站為新建站,能源站供熱管網(wǎng)總管從能源站引出后接入小區(qū)供熱管網(wǎng)。

2負(fù)荷分析

2.1熱負(fù)荷

根據(jù)設(shè)計(jì)資料,項(xiàng)目按70%入住率的供熱負(fù)荷來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約為1 2 495 kW,其中低區(qū)采暖負(fù)荷約7 820 kW,高區(qū)采暖負(fù)荷約4 675 kW。考慮到建設(shè)單位提供的用熱需求及周邊小區(qū)的實(shí)際用熱情況,此次設(shè)計(jì)提出負(fù)荷增長(zhǎng)的需求,即按照 5年采暖接入率30%~70%爬坡考慮,第5年70% 達(dá)到規(guī)模來(lái)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)原設(shè)計(jì)相關(guān)資料,供熱管網(wǎng)中低區(qū)最不利環(huán)路阻力損失為76 kPa,采暖供水管循環(huán)水泵出口處工作壓力為0.75 MPa;高區(qū)最不利環(huán)路阻力損失為64 kPa,采暖供水管循環(huán)水泵出口處工作壓力為1.30 MPa。

2.2全年供熱量

參照《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)建筑耗熱量指標(biāo)約束值和引導(dǎo)值的相關(guān)規(guī)定,鄭州地區(qū)約束值為0.2 GJ/m2·a,引導(dǎo)值為0.1 2 G J/m2·a,通過(guò)對(duì)類(lèi)似工程的參考,該項(xiàng)目全年供熱耗熱量指標(biāo)取0.2 GJ/m2·a。該項(xiàng)目供熱參數(shù)見(jiàn)表1。

3供熱分析

3.1地?zé)峋?/a>形式

中深層地埋管供熱系統(tǒng)主要包括中深層地?zé)?/a>換熱系統(tǒng)、地?zé)?/a>熱泵系統(tǒng)、建筑室內(nèi)供熱系統(tǒng),傳統(tǒng)型地源熱泵系統(tǒng)中所包含的地下水系統(tǒng)以及地表水系統(tǒng)都屬于水熱型的基本范疇,該范疇內(nèi)的系統(tǒng)都受地質(zhì)條件因素的影響較大,需要建立在水源充足的地區(qū)。而深層地?zé)?/a>系統(tǒng)的熱源是地下幾千米深的高溫巖石——干熱巖,通過(guò)水與巖石之間的換熱來(lái)達(dá)到加熱水的目的,整個(gè)換熱過(guò)程中僅存在著能量的交換,從而避免例如地下水系統(tǒng)中所存在的與經(jīng)濟(jì)過(guò)度開(kāi)采、地下水污染等環(huán)境問(wèn)題。相對(duì)于取熱水+回灌技術(shù)利用形式,采用U型管間接取熱方式,通過(guò)與深層地?zé)?/a>的換熱,來(lái)提高水溫,不會(huì)對(duì)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。因此,該項(xiàng)目推薦采用U型管間接取熱方式。項(xiàng)目地下?lián)Q熱系統(tǒng)準(zhǔn)備鉆3組U型地?zé)峋?/a>,小區(qū)供暖項(xiàng)目采取深層地?zé)?/a>井+水源熱泵機(jī)組+風(fēng)冷熱泵提供熱源。地?zé)峋?/a>井深2 700 m左右(以實(shí)際鉆井數(shù)據(jù)為準(zhǔn)),每組井設(shè)計(jì)總循環(huán)水量40 m3/h,抽取的熱水出口溫度70℃,地?zé)嵛菜?/a>回水溫度9℃。

3.2供熱能力分析

參考周邊類(lèi)似項(xiàng)目,該工程供熱主要采用中深層地?zé)?/a>,其余不足部分由空氣源熱泵提供。來(lái)自地?zé)峋?/a>的70℃高溫水通過(guò)一級(jí)板式換熱器制取58℃的熱水后降溫至50℃,一級(jí)板換后的溫水通過(guò)二級(jí)板換后降溫至9℃返回地?zé)?/a>井進(jìn)行重新加熱,二級(jí)板換的二次側(cè)循環(huán)制取1 5/7℃的溫水,溫水供熱泵機(jī)組蒸發(fā)端的冷卻使用,機(jī)組高溫側(cè)循環(huán)末端58/48℃的采暖熱水。末端總供熱量Q總由一級(jí)板換熱水Q1、熱泵機(jī)組供熱量Q2和風(fēng)冷熱泵機(jī)組Q3共同負(fù)擔(dān),即Q總=Q1+Q2+Q3,熱泵機(jī)組的供熱量可視為蒸發(fā)端的吸熱量和自身輸入功率之和。在該工程中,系統(tǒng)總供熱量為Q總=1 2 495 kW。系統(tǒng)的裝機(jī)原則為:熱源供應(yīng)系統(tǒng)的供應(yīng)能力>冬季最大連續(xù)采暖負(fù)荷。

地?zé)峋酫1

Q1=1 20 m3/h×(70℃—50℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)=2 790 kW;

水源熱泵機(jī)組供熱Q2(熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)取3.8)

Q2=1 20 m3/h×(50℃—9℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)/(1-1/COP)=7 765 kW

風(fēng)冷熱泵機(jī)組供熱Q3

風(fēng)冷熱泵提供地?zé)峋?a href="http://www.tja100.com.cn/t/熱能.html" >熱能力的不足部分,由Q總=Q1+Q2+Q3可知,Q3=Q總-Q1-Q2=1 2 495-2 790-7 765=1 940 kW該項(xiàng)目地?zé)峋?a href="http://www.tja100.com.cn/t/直接利用.html" >直接利用部分所提供的最大供熱量Q1+Q2約為1 0 555 kW,基本上能保證在60%入住率設(shè)計(jì)環(huán)境下的采暖熱需求,但是考慮到入住率的增長(zhǎng)以及極端天氣下采暖熱需求,項(xiàng)目需考慮輔助熱源保證該項(xiàng)目冬季負(fù)荷不小于小區(qū)的需熱量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及周邊項(xiàng)目的調(diào)研結(jié)果,選擇采用風(fēng)冷熱泵作為補(bǔ)充熱源。鄭州低區(qū)冬季室外空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為-6℃,風(fēng)冷熱泵效率受環(huán)境影響較大,因此需設(shè)置在設(shè)計(jì)溫度下的供熱量大于Q3的設(shè)備。工程擬選擇1 4臺(tái)設(shè)計(jì)工況下制熱量為1 55 kW的風(fēng)冷模塊化熱泵機(jī)組,外機(jī)安裝于室外屋面,水泵設(shè)置在能源站內(nèi),風(fēng)冷熱泵可根據(jù)后期負(fù)荷增長(zhǎng)情況分期安裝。

4系統(tǒng)流程

4.1系統(tǒng)流程

該工程地?zé)峋ㄟ^(guò)深井泵抽取循環(huán)水,地?zé)峋鏊疁囟?0℃,熱水經(jīng)一級(jí)換熱器直接換熱,把48℃的用戶采暖回水加熱到設(shè)計(jì)溫度58℃,一級(jí)板換出水溫度為50℃;一級(jí)板換后的地?zé)嵛菜?/a>進(jìn)入二次板換降溫,通過(guò)二級(jí)板換制取1 5/7℃的二次溫水,二次板換出水溫度暫定9℃。二次溫水通過(guò)熱泵機(jī)組后冷卻降溫,冷凝端將用戶48℃的回水提升至58℃再次循環(huán)。二次板換處理后的冷水回灌至地?zé)峋M(jìn)行重新加熱循環(huán)。風(fēng)冷熱泵作為補(bǔ)充熱源,經(jīng)循環(huán)水泵提升后并聯(lián)至供熱系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

4.2主要設(shè)備參數(shù)

該工程高區(qū)、低區(qū)獨(dú)立供熱,系統(tǒng)主要供熱設(shè)備包括換熱設(shè)備、提溫設(shè)備、輸送設(shè)備及相應(yīng)的輔機(jī)等。除室外循環(huán)泵外,一期二期其余設(shè)備配置完全相同,按兩套設(shè)計(jì)。

1)換熱設(shè)備

該工程換熱設(shè)備采用板式換熱器,與末端建筑高、低區(qū)供熱管網(wǎng)相對(duì)應(yīng),共分為一級(jí)板換和二級(jí)板換,設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

2)熱泵機(jī)組

對(duì)于二次溫水提升的水源熱泵系統(tǒng),設(shè)計(jì)熱負(fù)荷共為7 734 kW,此次針對(duì)高、低區(qū)的供熱相應(yīng)分別選擇1臺(tái)和2臺(tái)熱泵機(jī)組;熱泵機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表3,其中風(fēng)冷熱泵選用超低溫型模塊化機(jī)組,并根據(jù)負(fù)荷增長(zhǎng)情況分期安裝。

3)水泵

水泵作為主要提水設(shè)備,室外地?zé)峋h(huán)泵選

型原則是根據(jù)地?zé)崴?/a>的水質(zhì)、水量、水溫、出水壓力,室內(nèi)部分依據(jù)工藝流程與管道布置進(jìn)行計(jì)算。水泵的選型計(jì)算可參照相關(guān)技術(shù)資料。

4.3運(yùn)行模式

該系統(tǒng)應(yīng)以優(yōu)先利用地?zé)豳Y源直供為首要控制目標(biāo),在部分負(fù)荷時(shí),優(yōu)先采用板換機(jī)組供熱,并根據(jù)負(fù)荷的增長(zhǎng)需求對(duì)應(yīng)開(kāi)啟相應(yīng)的熱泵臺(tái)數(shù),當(dāng)水源熱泵機(jī)組不能滿足供熱需求時(shí)開(kāi)啟相應(yīng)的風(fēng)冷熱泵機(jī)組。熱水采用一次泵變流量系統(tǒng),與熱泵機(jī)組、換熱機(jī)組熱水二次側(cè)匹配的變頻泵,供回水總管設(shè)壓差旁通調(diào)節(jié)。項(xiàng)目供熱系統(tǒng)二次側(cè)采用量調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式。后續(xù)將結(jié)合廠區(qū)的實(shí)際使用情況,計(jì)算完善量調(diào)節(jié)時(shí)二級(jí)網(wǎng)供回水流量對(duì)應(yīng)情況。

5結(jié)論與注意事項(xiàng)

1)該工程采用中深層地?zé)?/a>器作為建筑穩(wěn)定的供熱熱源,在系統(tǒng)中結(jié)合熱泵輔助可保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。供暖技術(shù)熱源側(cè)采用封閉式換熱器,無(wú)需提取地下水,對(duì)地下水資源無(wú)影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),如果地埋管間距在50 m以上,經(jīng)過(guò)1個(gè)供暖季的取熱,地下土壤平均溫降小于2℃,在供暖季結(jié)束后4個(gè)月即可恢復(fù),夏季無(wú)需額外補(bǔ)熱,保證熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效地運(yùn)行,很好地適應(yīng)了建筑的用能特點(diǎn)。

2)由于該工程為已建住宅小區(qū),末端用戶采暖方式為散熱器取暖,末端供熱溫度達(dá)到58℃,經(jīng)運(yùn)行模擬分析,70%的入住率下系統(tǒng)全年運(yùn)行綜合效率COPa約為3.7,若按末端溫度為45℃設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)全年運(yùn)行綜合效率COPa可達(dá)到7以上。因此,地?zé)峁┡?/a>項(xiàng)目應(yīng)在前期規(guī)劃,供暖溫度應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目熱源使用情況進(jìn)行綜合考慮,才能發(fā)揮地?zé)崆鍧嵐┡?/a>的高效、節(jié)能意義。

3)中深層地?zé)峁峒夹g(shù)應(yīng)用應(yīng)在對(duì)當(dāng)?shù)?a href="http://www.tja100.com.cn/t/地?zé)豳Y源勘察.html" >地?zé)豳Y源勘察的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,盡可能地對(duì)地?zé)豳Y源充分利用,降低地?zé)嵛菜?/a>的回水溫度。該工程地?zé)嵛菜?/a>回灌溫度為9℃;如系統(tǒng)采用地下水取熱形式,應(yīng)確保換熱后的地?zé)嵛菜?a href="http://www.tja100.com.cn/t/回灌.html" >回灌到同一含水層,且不得對(duì)地下水資源造成浪費(fèi)和污染。