中深层地热能梯级利用系统优化分析

文_黄峰 山东地矿新能源有限公司

1 地热供暖工程概况

本建筑占地总面积为17702.5m2，被细化为东、西两个区域，该区建筑使用功能以住宅、商业、办公等为主、建筑东区共计建设了19 栋建筑，总面积为96813m2，其中住宅、商业、办公、酒店占地面积依次为69721m2、6988m2、6267m2、14287m2，单体建筑高程为67.6m。

该地热供暖项目已运行3年，其主要功能是冬季供暖。当下使用的地热能利用方法是：地热水经由潜水系统出井，被旋流除砂器处理后直接为用户供暖，尾端是采用地板采暖。

为应对冬季寒冷时段供暖能力偏差的现状，拟将一台水泵加装在供水干管与回水干管间，通过混水形式强化系统的供热能力。

2 地热梯级利用原理分析

以前，地热供暖系统内安装的单组或单台供热设备形成的温降效果较差，进而造成由深井抽吸出的地热水热换后直接排放，水的温度较高。为拓展地热水可利用的温差，提升地热能整体利用效率，可以串联使用功能、温度要求存在差异的换热设施，经高温到低温逐级提取、应用地热流体的热能，借此方式使地热尾水水温达到理想状态。此过程可达到充分利用地热能的目的，被称之为地热梯级利用系统。

3 地热系统优化设计方案

可以从如下三方面对原地热供暖系统做出优化改造：①拓展供暖能力；②降低地热水开采量；③拓展系统或关键采暖设备的传热能力。

3.1 设备选用

（1）换热器

换热器是供热系统常用设备之一，板式换热器是目前供热的首选类型，其优点有：①在水—水温差换热领域中表现出较高适用性，换热尾端温差偏小（可低于1℃）；②换热效率偏高，能在偏低雷诺数Re下形成絮流，和管壳式换热器相比较，其传热系数提升3 倍有余；③热损量低，散热损失可不计。

（2）水源热泵

其原理是采用高位能使热量由低位朝向高位能源传导，属于一种效率高、节能性优良的技术。依照储热能量形式的差异，可把热泵分为吸收式、压缩式两种类型，分别依靠高温热能、电能驱动。当高温热源温度＜150℃时，吸收式热泵利用能源期间的成本更高。本文所探究的中深层地热水温度基本上低于90℃，因此建议选用压缩式热泵。

（3）采暖末端设备

①风机盘管：为确保风机盘管在地热梯级利用系统内持有较高的适用性，通常设定风机盘管额定进水温度为60℃，限制区间为45 ～65℃。因此，当本地热水供应温度大于以上指标时，建议末端采暖设备选风机盘管。②散热器：相关规范中明确规定，热水是散热器的热媒，可依照75℃/50℃连续供暖形式设计散热器集中供暖系统，要求供水温度＜85℃，供回水温差＞20℃。

3.2 加装混热水箱及运行调控优化

（1）加装混热水箱

在优化实践中，遵照充分应用现有系统或设备的原则，以体现出经济性。因潜水泵是定频泵，调节手段有开启、闭合两种形式，为确保经改造优化的供暖系统在节省水资源方面有良好的经济效益，故而拟定选用混热水箱的改进方案。定量供热水被梯级利用系统处理后温度依照一定级别有所提升，采用以下2种形式处理地热尾水：①若判断地热尾水水温达到设计要求时，对尾水实施回灌处理；②若地热尾水水温未达到设计要求，则尾水将会被整合至混热水箱内被循环利用，直至其达到可回灌对应的温度值。

图1 混水系统简图

现已知地热供水T1为57℃，m1为150m3/h，m2为是混水量，设容积比热容恒定，c 为4.187KJ/kg·℃，如果该系统运行期间需承担的热负荷为36443kW，则经计算后得出T3为37℃。随后建立采暖用户设计供水温度（T2）的函数，经分析后，发现，在T2可实现的温度区间内，伴随供水温度的上升，火积耗散有降低的趋势，这样提示T2越高，火积耗散越低，系统传热效能越优良。

在选定好换热器以后，当给定热流恒定时，系统火积耗散大小与冷热流体热容量之间存在反比关系。经测算，当m1=m2=150m3/h 时，设定水源热泵额定状态下热源水端蒸发器进出口温差是8℃，得出单台热累机组制热为1396kW，为更好的满足剩余热用户现实的采暖要求，则可以在供回水温差恒定工况下，提升蒸发器侧循环水流量，选一台水源热系机组去迎合剩余热用户采暖的主观需求。伴随热源端进度温度指标上升，机组COP 也出现相应提升，这提示机组制热量提升速率大于输入功率的增加速度。这提示通过提升机组热源水水温，有益于提高热泵机组的制热性。本方案拟定选用CVHG1000 型水源热聚机组，同时对22℃进水湿度予以修整后，判断修正后的制热量符合剩余热用户采暖需求。

（2）运行调节

为更好地调控地热水回灌温度指标，在改造优化期间把没有达到预设回灌温度的地热尾水再次整合至换热系统内，进行提热处理。具体操作方法可以做出如下概述：

在热供水与地热尾水管道两者之间以及混热水箱内的水源端潜泵，均加装一套150m3蓄水池。“供水”、“回水”分别衔接一级热用户供水管、地热尾水管，将一个温控三通阀设置在换热器连接蓄水池的管路上方，其作用是将温控三通阀的温度调控在15 ～18℃之间。若检测后发现回水水温＜15℃，则需要断开混水支路阀口，同时启动排水支路阀口，以将蓄水池的水排出；若检测到蓄水池内的水位降到初水位1/3 时，则需要开启供水潜水泵补充蓄水池内的水量；若检测到回水水温＞18℃时，则需闭合排水支路阀口后启动混水支路阀口，关闭供水潜水泵的标准是蓄水池经补水处理后水位和初水位高度持平。这就提示应将一套潜水累控制柜，并选定定频泵做为水源侧潜污泵。

3.3 改造地热供暖

结合相关数据的分析结果规划改造方案，其在增强供暖系统传热性能方面表现出较高效能，经改造优化后的地热供暖系统被分为两级梯度予以应用，依次承担了36445kW、3972.1kW的采暖需求，与此同时系统的换热能力得到显著提升。板式换热器、水泵的设计参数分别见表1。

表1 水泵设计参数

为明确本文优化设计的供暖系统与传统系统真实运行期间的排污压力，拟定比较污染产生的源头，就能比较出污染物的产生量。本文主要采用中深层地热水作为供暖生热源，和过往锅炉房集中供热形式相比较，能明显降低煤炭资源的投用量，减少二氧化碳等污染物的排放量，节能环保，符合国家倡导的节能减排政策。

4 结语

在优化改造地热水—水系统过程中，应遵照拓展地热能可利用温差、降低地热水开采量的原则。通过调控地热井出水量、回灌水水温或热器低温侧出口温度等达成优化目标。在原供暖系统内加装混热水箱，能建成运行效率更高的地热梯级利用系统。有利于节省水资源，提升整体供暖效率。