水源热泵型低温地热生活热水系统在郑州基正住宅小区的实际应用

石东森 李 恒 王永辉



水源热泵型低温地热生活热水系统在郑州基正住宅小区的实际应用

石东森 李 恒 王永辉

（郑州自动化研究所 郑州 450006）

提出在常用低温地热生活热水系统中增设回水加热器，以回收生活热水系统的排水。对可选的5种回水加热热源——燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉及水源热泵的节能性、经济性进行了比较，提出水源热泵辅助低温地热生活热水系统。

低温地热；生活热水；水源热泵

0 引言

近年来，利用低温地热水为住宅小区集中供应生活热水已成为地热水利用的主要方式之一。但运行中发现低温地热水生活热水系统存在排放温度高（38℃以上），排放量大，地热资源浪费严重。因此应选择经济、有效的方法，而节能、高效的水源热泵是最为有效的一种改造低温地热生活热水系统方式。水源热泵是一种利用地表浅层水来进行热交换，提取浅层水的热量，通过制冷机做功进行能量转移，最终把地下浅层水的热量提取出来给生活热水，满足用户需要。水源热泵从上世纪90年代在我国开始发展，经过近20年的发展已日趋成熟和完美，尤其近年成为国家大力提倡发展的一种节能、环保新型空调方式。

1 低温地热生活热水系统的改造

1.1 生活热水系统分析

在常用低温地热生活热水系统中（如图1），温控阀的设定温度一般为生活热水回水的最低温度，通常为38℃，冬季略高，夏季略低。当生活热水回水温度低于设定温度时，系统排水。反之，系统保持循环。常规生活热水系统中，通过设置回水加热器，间接或直接加热生活热水回水、补水，提高水温后供给用户，运行中无排水。低温地热生活热水系统也可通过增设回水加热器回收系统排水，补水由地热井提供，因此问题的关键在于选择回水加热热源，最大化利用地热能。

图1 常规生活热水供应系统

1.2 回水加热热源的选择

选择回水加热热源时应根据当地可利用能源的情况，选择技术、经济性较优的方案。回水加热热源包括燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉及水源热泵等，其中水源热泵是一种高效的节能装置，以生活热水回水作为提取热量的热源，制热性能系数在4.5以上。

1.2.1 节能性比较

表1 各种热源的一次能源利用率

由表1可知，水源热泵的一次能源利用率最高，在可供选择的5种回水加热热源中，其节能性最佳（发电效率取30%）。

1.2.2 经济性比较

设定将生活热水回水由38℃加热至46℃，折合成单位热功率的设备造价及加热单位质量生活热水的燃料费、电费见表2。

表2 经济性比较

煤的低位发热量按20.9MJ/kg计，柴油的低热值按41.9MJ/kg计，天然气低热值按37.7MJ/m3计。煤价按400元/t计，柴油价格按4.00元/kg计，天然气价格按2.25元/m3计，电价按0.56元/kWh计。

由表2可知，5种回水加热热源中，燃煤锅炉经济性最佳，但从能源可持续发展的角度来看，水源热泵具有更高的优越性，而且其具有自动化程度高、环保、占地小等特点。

1.3 水源热泵辅助低温地热生活热水系统形式与特点

水源热泵辅助低温地热生活热水系统以地热供热水为主，水源热泵加热为辅。当地热水与生活热水回水的混水温度高于设计温度时，水源热泵不启动。当混水温度低于设计温度时，水源热泵启动，储水罐中低于设计温度的低温热水被分成两路：一路作为水源热泵的热源，经换热器换热后排放。另一路作为被加热对象，经水源热泵加热升温后返回储水罐。通过设置水源热泵，提取部分低温热水中的热量，加热另一部分低温热水，从而提高储水罐中的混水温度，降低了地热水排放温度。

2 工程实例

郑州市基正置业住宅小区，建筑面积为200000m2，生活热水用户2200户，每户生活热水用量约0.06t/(户·d)。地热井1口，井深为1100米，出水温为48℃，井水流量为98m3/h。小区原生活热水系统为常用低温地热生活热水系统，供暖期（120d）利用供热锅炉加热生活热水，系统无排水。夏季系统排水质量流量约400t/d，春、秋两季系统排水质量流量约700t/d。系统排水温度约38℃，高于地热水排放标准（35℃），所以原生活热水系统经济性很差。

改造后需新建水源热泵设备间，面积为40m2，配置3台水源热泵，单台制热量为45kW，输入功率为10kW。换热器的换热面积为4m2。配置2台（1用1备）热泵给水泵，单台功率为1.5kW。配置2台（1用1备）水源循环泵，单台功率为1.5kW。改造后的生活热水系统控制地热水排放温度为（15±2）℃，非供暖期系统排水质量流量约30t/d，生活热水系统运行稳定，基本达到预期效果。改造前后系统的经济性比较见表3。

表3 改造前后系统经济性比较

系统改造的工程造价为37.7万元。若按生活热水售价4.5元/t计算，年收入23.6万元/年。改造前年亏损19.9万元/年，改造后年赢利6.6万元/年。若不计算人工费及折旧费，6年即可回收投入的资金（地热水取1.3元/t）。

3 结论

实践证明，水源热泵辅助低温地热生活热水系统运行可靠，可以有效降低系统排水温度及排水量，节能、节水效果显著。水源热泵技术与生活热水系统结合，不但扩大了地热利用的空间及温度界限，还拓展了水源热泵技术的应用领域。我国是低温地热资源的大国，但温度在40℃以下的地热水资源及地热水供暖后温度在40℃左右的地热尾水往往难以利用，利用水源热泵辅助低温地热生活热水系统可回收这些低品位热能，从而达到充分利用地热能的效果。

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The Actual Application of Geothermal Hot Water System of Low Temperature Water Source Heat Pump in Zhengzhou Base is Residential Area

Shi Dongsen Li Heng Wang Yonghui

( Zhengzhou Institute of automation, Zhengzhou, 450006 )

It is proposed that the return water heater is added in convention M domestic hot water system with low-temperature geothermal energy to recovery the discharge water from the domestic hot water system. A comparison is made on the energy saving and economy for five kinds of optional heat sources for heating return water, including coal fired boiler, oil-fired boiler, gas-fired boiler, electric boiler and water source heat pump. A domestic hot water system with low-temperature geothermal energy assisted by water source heat pump is put forward.

low-temperature geothermal energy; domestic hot water; water source heat pump

1671-6612（2017）04-388-03

TK529

A

石东森（1978.12-），男，本科，工程师，E-mail：sds211@sina.com

2016-09-29