基于地热梯级利用供热系统运行策略的研究

2021-04-24李强

科学技术创新 2021年8期

李强

（中煤水文局集团（天津）工程技术研究院有限公司，天津300000）

我国有着较为广泛分布的地热资源，与此同时还有着良好的开采条件，但是在进行开发利用的过程中仍存在技术方面的局限性，所以导致我国广泛面临着地热资源浪费严重的现象。基于此，有必要强化开展对于地热梯级利用供热系统优化运行策略的深入分析，进而切实保障工程对于地热资源的利用效率，真正落实可持续发展的目标。

1 工程案例

我国某地区所开展的供热工程主要采用的是地热梯级利用供热工艺，设计进行地热井的开采，其实际的开采量是125m3/h，出水温度则为80℃。一级利用在经过换热器换热之后便向用户直接进行热量的供给，其水温降到中间温度上，接下来再采用热泵技术对换热后的热水热量进行提取，并向地热用户进行再次的供给，当完成降低地热尾水温度之后便进行回灌排放。该系统建成之后预计能够在冬天完成对于20 多万平方米住宅的供热工作。

2 基于地热梯级利用供热系统运行的优化途径

2.1 控制方案

2.1.1 控制原则。因为地热梯级利用供热系统本身具有一定的复杂性，所以为了能够切实保障其平稳运行，务必要严格遵循以下几方面的控制原则：首先，应当在现有的基础上尽可能提高地热资源的利用效率，并最大限度实现对于辅助加热系统能量的节约。当热负荷变小的时候，需要降低当前的辅助加热量。而当出现热负荷大幅度降低的情况之后，工作人员需要对热泵机组进行逐级关停，并逐渐减小地热水的流量。若是将热泵机组关停之后，地热水难以同供热负荷需求相符合的时候，工作人员要开展对于热泵机组开启以及辅助加热系统之间经济性的对比工作，进而实现对于最佳运行模式的确定[1]。某种地热梯级利用供热系统如图1 所示。其次，应当确保热泵机组有着最佳的工作效率，结合热泵机组运行的实际特性以及热负荷需求等多方面影响因素，对机组开启的运行策略进行明确。最后，应当注重使用质量并调的调节方式，在系统调节的基础上进一步降低输配能耗，主要是通过对于地热潜水泵以及各级循环水泵等变频控制，在负荷与位数排放条件的基础上针对水泵进行变频，再经过多方程的联合运算，得到最优流量。

2.1.2 控制目标。其具体的控制目标为通过优化运行方式最大限度降低机组的系统总能耗，在同相关约束条件相适应的基础上，对各项能耗指标进行优化调整，可以通过下列公式进行表述：

图1 某种地热梯级利用供热系统

在该公式中，F(x)代表的是优化目标函数，而f(x)则主要指的是建立于质量和能量守恒关系基础上的稳态模型方程式，h(x)为约束方程，主要是出于对于安全因素以及性能参数的考虑。对于系统整体的优化控制来说，需要工作人员从整个系统层面着手，对相应的优化目标和优化约束条件进行确定，然后在此基础上得出最终结果。系统整体的动力部件主要涉及到各种水泵的输配能耗以及水源热泵机组的压缩机功率，其所选用的目标函数如下所示：

该公式中，Nh代表的是热泵机组所具有的实际功率，而Nw则表示的是循环水泵输配能耗的功率，Nt代表着系统调峰功率。在系统优化模型方面主要使用最基本优化的数学方法，具体指的是事先给出优化参数的特定取值范围，然后在这一范围当中进行优化目标系统能耗值的逐个计算，并对大小进行比较，最终选择那个能耗最小的参数值，在计算的过程中进行求解系统总能耗。

2.2 优化策略

供热系统流程主要是分三级进行利用，地热水需要先通过第一级板式换热器加热散热器采暖的回水温度，进而使得散热器采暖系统的供水温度能够同不同室外温度下的供水温度相适应。将以及板式换热器的出水同一侧的旁通管道的水流进行混合，然后进入到二级板式换热器当中，二次侧的地板辐射采暖系统的部分回水将会同进入板式换热器的地热水进行换热，与此同时还会对该部分回水温度进行加热，使其能够与不同室外温度下所相对应的供水温度相一致。接下来便能够经过热泵机组对该部分热量展开相应的提级利用工作，切实保障热泵机组的出水温度能够同不同室外温度下所应有的供水温度相适应，进而向用户进行供热。

2.2.1 散热器系统。散热器系统是地热梯级利用供热系统运行的重要基础部分，在进行优化的过程中应当严格从上文所述的控制原则出发，在保障其能够同热负荷需求相适应的同时，对板式换热器的一次侧和二次运行流量展开优化调节工作，进而高效达到降低系统输配能耗的效果，与此同时减少地热水原本的换热量。为了能够有效规避系统处在低负荷工况下产生“大流量，小温差”的问题，对板式换热器二次的水泵流量进行调节，结合系统水力平衡的相关要求来看，其最小流量应当在系统总流量的60%以上。因此，基于综合分析的相关结果，决定分别采用系统循环水量的60%、70%、80%、90%以及100%进行二次侧条件，并使用逐步增加的方式。当具体开展循环水量调节的过程中，结合系统的调节公式能够对板式换热器二次侧的供回水温度进行确定，然而对于系统水量的调节工作会在一定程度上对板式换热器的换热量造成影响，基于现有的供回水温度的约束条件以及板式换热器的热量平衡方程能够对其二级板换的循环水量进行确定，接下来再开展对于系统的热力计算，明确热水最小流量以及板式换热器一次侧的出水温度。

图2 散热器系统室外温度同供热负荷之间的关系

经过试验可以发现，二级循环水量会根据室外温度的实际变化情况从系统循环水量的60%开始变化，当室外的温度处在-6℃的时候，应当通过对现有的系统循环水量进行增加，以保障其能够同系统的换热需求相适应。当室外的温度相对来说较高，与此同时要在系统热负荷比较小的时候进行调节，调节系统循环水量能够在增加供回水温差的同时，实现系统输配能耗的有效降低，当温度在6℃以下的时候，室外温度越低便会使得循环水量得到进一步增加。

2.2.2 地板辐射采暖系统。对于底板敷设采暖系统来说，其在供热方面主要是发挥两部分的作用，分别为来自二级板式换热器的换热，以及当换热量难以同负荷需求相适应的情况下，则会将燃气锅炉或者是热泵机组开启，以达到良好的供热效果，经过计算可以得出以下几方面的优化策略：当负荷仍处在相对较小情况的时候，将二级板式换热器开启进行换热，那么负荷侧循环水泵便会随着室外温度的变化，从60%处开始出现调节变化。当工作人员展开对于水源热泵以及底板敷设采暖系统板式换热器进行供热量计算的时候，应当结合室外温度具体的变化情况，对负荷侧循环数量展开优化调节工作，综合考虑能量守恒方程及其具体的约束条件，进而得出能够满足热负荷需求的最佳地热水循环水量[2]。一旦在负荷不断增加过程中产生了板式换热器的换热量无法负荷系统热负荷需求的时候，便应当第一时间将水源热泵机组开启。工作人员在开启水源热泵机组的过程中应当对针对负荷侧进入板式换热器和水源热泵机组的水量进行优化调节，以保障其可以充分满足系统的热负荷需求。当处在负荷率在70%的条件下，对于一次侧的地热水来说，其流量主要是根据室外温度的变化情况而产生变化，而二次侧的流量则是设计流量的60%左右。当处在负荷率在70%-75%之间的条件下，那么一次侧的流量具体应当是设计流量的70%，接下来在二次侧开启一台热泵机组，为了切实提升板式换热器的换热质量以及效率，应当将板式换热器二次侧的流量设定为设计流量的70%，热泵机组的流量应当是设计流量的30%。若是室外温度在3℃以下，那么系统总的循环水量基本同设计循环水量相一致。与此同时，还要针对二级板换二次侧同热泵机组之间的循环数量比值进行调节，来达到保障供给热负荷的效果。室外温度以及二级板换循环数量占总水比之间有着一定的线性拟合关系，具体可以通过下列公式进行表示。

由此可见，当对外温度出现下降的情况下，便会使得二级板换循环水量出现逐渐降低的现象，与此同时，热泵机组的循环水量也会得到不断增加。当室外的温度在5℃以下的时候将两台热泵机组同时开启，板换循环水量以及热泵组循环水量在机组的总体水量中分别有着80%以及20%的占比。当室外的温度在8℃以下的时候，将三台热泵机组同时开启，此时的板换循环数量以及热泵机组循环水量在机组总水量中分别有着60%以及40%的占比。在实际进行运行的时候，工作人员可以采取对以及板式换热器的回水温度进行控制的手段达到对于散热器系统供暖负荷的优化调节效果，在室外温度不断变化的过程中回水温度所呈现出的变化规律可以通过下列公式进行表示：

该公式中的x所代表的是室外温度。

在上述公式的基础上，工作人员可以利用气候补偿器的电信号起到对电磁旁通阀开度的控制效果，进而实现对于一级板式换热器回水温度的调节[3]。针对地板辐射采暖系统来说，在系统热负荷相对较小的情况下，可以采用对二级板换的一次和二次的循环水量进行调节的方式，开展对于负荷的调节工作，工作人员应当综合考虑具体的地热水循环水量的需求，进而对地热水的出水量进行确定，然后在此基础上优化选择相应的调节方式。在该系统当中，室外温度同地热水的循环数量之间有着一定的内在联系，并呈现出特定的比例关系，所以应当能够通过气候补偿装置，对具体的地热水循环数量进行确定。