吸收式热泵技术在地热供暖中的应用

周航兵

（胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司 工艺配管设计所，山东 东营257000）

1 中国地热资源与热泵技术特点

1.1 地热资源特点

中国是一个地热资源丰富的国家，地热属于洁净的可再生能源，它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定（流量、温度）、使用方便、不受地域限制等优点。不像化石燃料在获取能源和产生电力的同时，向环境排放大量的燃烧产物，严重污染了环境并影响了人们的身心健康。地热水资源普遍受到人们的喜爱，特别是集“矿、水”于一身的热水型地热资源，数量多且分布范围广，有各类不同可利用的温度，并含多种人体健康所必须的微量元素，使其成为宝贵的能源资源、温泉旅游资源和热水资源，有很高的利用价值。

目前，采用吸收式热泵技术，充分利用地热水资源是改善城市大气环境、节约能源的一条有效途径，是中国能源开发利用的一个新的发展方向①。

1.2 吸收式热泵技术

吸收式热泵是以热能为主要驱动能源的热回收设备，它是利用液态制冷剂在低温、低压条件下，蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应而研制的［1］。根据吸收式热泵工作特性和在热源之间进行热量转换的形式可分为两种类型：第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。在该系统中用的是第一类热泵。

第一类吸收式热泵（typeⅠabsorption heat pump）以消耗高温热能为代价，通过向系统输入高温热能，进而从低温热源中回收一部分热能，提高其温位，以中温的形式供给热用户（图1）［2］。

图1 第一类吸收式热泵能量转换示意图

在地热资源的开发利用中，用得最多的是第一类吸收式热泵。热泵的驱动热源为锅炉供给的热源蒸汽，低温热源是地热水，可利用热源为供暖系统所需热水。热泵内部具体循环流程见图2。

2 应用实例

2.1 供暖系统概况

某社区锅炉房承担着约50×104m2的供暖任务，采用燃油锅炉供暖，年耗渣油量（渣油）3.6kt左右。该社区目前已建成地热井数口，采用地热水直接换热供暖，作为锅炉房供暖的补充，同时达到节能降耗的目的。地热水出水温度68℃，出水量560t/h，供暖设计热负荷3.5×105kW。该锅炉房现有10t/h和4t/h蒸汽锅炉各2台，产生饱和蒸汽，饱和压力0.6MPa；另有热水锅炉若干用于采暖。

图2 热泵内部具体循环流程

原有利用方式为：利用地热水直接对一定面积的用户进行冬季供暖；地热水经用户管网放热后作为生活热水利用。供暖参数如下：

供暖初期20d，供水温度51℃，回水温度42℃；

供暖中期80d，供水温度72℃，回水温度58℃；

供暖末期20d，供水温度51℃，回水温度41℃。

在供暖的初、末期，地热水直接进入管网为用户供热，而在中期，由于所需供暖温度较高，因而温度较低的地热水先经过热水锅炉加热后再为热用户供暖和提供生活用热水，地热水经管网后排放温度高，热能利用不充分。

直接利用地热水供暖方式，供热系统热力系数COP（即系统输出热量与输入能量比值）较低，仅为1.23；地热水由68℃降为58℃，温降仅为10℃。

2.2 供暖中期系统改造方案

针对供暖中期存在着的地热水排放温度过高，地热能利用不充分等问题，对供暖中期整个供热系统进行设计改进。利用吸收式热泵技术实现地热深度梯级利用，即在原有的供热方案基础上，在原来直接利用地热水供暖系统中加入热泵机组，并利用现有的锅炉房部分设备，将系统改为先利用溴化锂吸收式热泵，使地热水最大限度地得到利用，再利用降温后的地热水供应生活用热水，以达到利用地热资源，节约燃油量，保护环境的目的。

2.2.1 使用热泵后过程分析

使用热泵间接供热，即采用第一类吸收式热泵技术，实现地热深度利用，扩大利用温降，降低排水温度，具体过程见图3。地热水（生活热水）回路为①－③－②－④－⑨；供暖水路线⑤－⑥－⑦－⑧－⑤。

图3 改造后的供暖中期流程

2.2.2 改造后的投资与系统运行参数

改造后需加入的装置与设备为

热泵：吸收式热泵机组3台，制热工况下冷凝器出/回水温度72℃/58℃，主机及其附属设备投资约为500万；

热泵房：新建热泵机房一座。另外需要投入增压水泵、来回输水管线、若干阀门等零星设备，投资约为50万；

锅炉房：新增蒸汽锅炉10t/h 1台，与另外2台10t/h和1台4t/h蒸汽锅炉一起作为吸收式热泵的驱动热源。锅炉房改造投资50万。

新增总投资约为600万元。根据已知参数与供暖需求，通过查表和计算（利用VC＋＋6.0程序计算热泵参数）可得到如下结果：

地热水回水温度td：td＝44℃，

热网供热系统热负荷Q：Q＝33 631.94kW，供热系统热力系数COP：COP＝1.86，

锅 炉 热 负 荷Qg：Qg＝Q/COP＝18 076.39kW。

2.3 运行概况

在供暖初期与末期，由于地热水出水温度（68℃）已大于供水温度（51℃），且回水温度41/42℃，基本上可以满足热水用户要求，且排放时无热污染。故可采用原来地热水直接供热的方法，即采用原来先供热、后供生活热水的方法。供暖中期则采用上述的系统改进措施，以达到地热深度梯级利用和节能降耗的目的。

采用吸收式热泵以后，经济效益大为提高，进行其优越性分析［3］。

2.3.1 地热水可利用温降增大

地热水温降由68℃→58℃变为68℃→44℃，即温降由10℃变为24℃，当地热水泵流量一定时，地热水所提供的热量与其温差成正比，即可利用于供暖的地热能为原供热方式的2.4倍，一口地热井约相当于原来的2.4口井，实现了地热深度利用。

2.3.2 燃油量降低

改造前后系统热力系数COP值由1.23增为1.86，在同样的管网热负荷Q条件下，使用热泵前后燃烧渣油量W与系统热力系数成反比，即：

式中，W1W2分别为热泵使用前后燃烧的渣油量，t。

节约燃油百分数：（W1－W2）/W1＝ （1.86－1.23）/1.86＝33.9%.

供暖中期80d，初、末期均为20d，如采用原有利用方式，中期锅炉所耗渣油百分比约为90.64%，年耗渣油量约为8 600t。以每吨渣油1 500元计费，则节约经费为

S＿money＝8 600×90.64%×1500×33.9%＝3 953 590元 ≈395.4万元

2.3.3 经济效益显著

投资回收年限：600/395.4≈1.52年 ＜2年 。

从该项工程经济性分析得出投资回收年限较短，可知其经济效益与社会效益都很好，因此供暖系统进行改造是可行的。

3 结束语

使用吸收式热泵后，地热水得到充分利用，排水作为生活热水供给热用户，节约了燃油和电，同时减少了渣油燃烧量和烟尘排放量；吸收式热泵供暖实现了地热深度梯级利用，提高了地热利用率，同时降低地热排水温度，保证地热水达标排放。随着各科研单位对吸收式热泵技术研究力度的深入和大量新技术的不断涌现，吸收式热泵技术将不断发展，其运行效率、出水温度会不断提高，应用范围会不断扩大。总之，吸收式热泵技术将以其经济节能、绿色环保、性能稳定以及安全可靠等特点得到越来越广泛的应用。

注：

①国家计委能源所.能源基础数据汇编［G］.1999：7.

［1］戴永庆，耿惠宾，王禾，等.溴化锂吸收式制冷技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2000：1－35.

［2］戴永庆.溴化锂吸收式制冷空调技术实用手册［M］.北京：机械工业出版社，1999：68－69.

［3］李新国.地热热泵调峰供暖系统的热力及经济分析［J］.太阳能学报，1997，18（2）：146－151.