以地热温泉热水为辅热的水源热泵系统节能分析
作者：匿名 来源：本站原创 发布：2014年4月18日 修改：2014年4月18日 所属分类：行业新闻 访问统计：1840
一、概述
深井地热水在世界上的广泛应用有很长的历史。美国西部的深井地热区，井深300-400米左右，即可开凿出80-90℃的地热水，从地下环境保护的角度来考虑，美国各州有不同的政策，但总的不主张使用开式系统，如果使用，严格要求同层回灌。法国的低焓能含水层热水热不温在50℃以上，井深由几百米至1000-2000米不等，其应用实现了梯级利用，并且严格实行"对井"制，即一个生产井，一个回灌井。巴黎盆地的地下水位，20年来，基本上维持水位不降，是很了不起的成就。波兰持下含水层热储的水温为30-130℃之间，并采用了多种利用技术。我国地热水供暖有较长历史的应必天津和塘沽地区，但其尾水温度较高，近几年来，天津采用先进技术，严格实行"对井"制，使地下水位逐渐回升。
北京是世界上为数不多的，有深井地热水资源的首都之一。过去30年来，共开凿了深井地热水井200口左右，130多口井在正常使用。由于多数地热井水温在40-60℃之间，限于合理利用的温泉别墅。很少的几例用于地热直接供暖。1999年，在北京城南发现深度3800米处的88℃的地热水。申办2008年奥运会以来，北京有关部门进行了全面的物探，发现了三大块地热田，水温达70-80℃，井深达3500米左右。北京的深井地热水位每年下降2米，从可持续发展的角度，考虑深井地热水的利用技术和回灌技术至关重要。
二、中试工程的建筑物及负荷特点
1．建筑特点：该楼为原有建筑物。办公和实验室部分为2000平方米的五层建筑，周围有与之相连的两层教室共10000平米。中间有20米高的玻璃拱顶中厅，周围八个外门，供疏散用。由于"烟窗效应"，冬季室外的冷风通过常开的东大门大量灌入室内，致使大厅温度6℃左右，周围五层房间的内墙变成了散热的外墙。加上各办公室单层的大玻璃窗有冷风渗透，还限于施工时的经济状况，外墙保温作了简化处理，致使冬季室温在13℃左右。
2．负荷特点：经计算冬季采暖设计负荷约为120W/m2。由于是办公楼，每日工作时间为8：00-20：00。夜间及周末或节假日，室温只需维持10℃。热负荷比冷热负荷小。
三、中试工程系统设计方案考虑
1．回灌水温度和回灌水量的考虑：本校地热回灌井井深2000米，比生产井深400米。对于允许的回灌量，回灌温度，对热储的影响，需要相当长的时间实验认定。因此，一方面要尽量使用地热水的热能，维持到一定的尾水温度比如20℃以下峰值负荷时，可以尝试短时间到10℃左右，观察其长期影响。另一方面，在非峰值负荷时，也要减少抽取地下的热水量，不使大量热水在较高温度下回灌，比如：尽量避免25℃以上的水温回灌。
2．对地热水利用率ξ的考虑：回灌温度直接影响到地热能的利用率。因为地热能的能量，目前是依地热水温度降至当地全年室外平均温度作为基准计算的。深层地热水的抽出不仅消耗潜水泵的能量，蕴藏着被污染的可能，还涉及未知的回灌井的工作状况。
3．对地热水直接利用级的考虑：本校共有地热生产井两口，生产井的水温均在52℃左右，两口井的出水量均大于或等于70m3/hr。52℃左右的地热水，经过板式换热器后，循环水可达50℃左右，直接利用级采用的是风机盘管机组，其消耗的功率，仅为循环水泵的功率。
4．对峰值负荷的考虑：由于北京的多数建筑，制冷负荷大于采暖负荷，可以以部分热泵兼作为峰值热负荷。区域锅炉房提供的热源，也可以做峰值热源用。
5．对使用热泵的考虑：选择水源侧能耐受进口水温（ESWT）为30-35℃地热水的热泵，使之具有较高的热力循环COP值。按照ARI-320标准，水源热泵供热工况下，水源侧进口水温控为21℃，按照ARI-325标准为10℃及21℃。因此，一般厂家不提供能耐受ESWT为30-35℃的热泵。选择了美国ClimateMasterInc的GSW-120型水-水热泵。厂家建议使用中ESWT不超过35℃。后来运行证明性能良好，特性曲线由研究提供见图1，2，3，4。
图1 热泵COP与水源侧出水温LSWT（℃ ）
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图2 热泵COP与负荷侧出水温LSWT（℃ ）
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图3 深井地热水水源侧进水温与制热量关系
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图4 热泵不源侧水量与水温降关系
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四、中试工程使用的系统及仪表
综合以上考虑，本中试系统如图5所示。测试使用的仪器的不确定度：见表一
图5 中试工程实验系统及仪器
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1-生产井2-回灌井3-水处理设备4-板式换热器5，6-地热直接利用极7-地热作为辅助热源的间接利用级8-终端采暖和制冷设备T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T1，T11，T12，T13，T32，T39--温度传感器。
基本参数
计算参数
水温
水温差
空气温度
水流量
输入电功率
制热量
热力循环特性系数
总效率
T
ΔT
T
W
N
Q
COP
η
（℃）
（℃）
（℃）
（m3/hr）
(KW)
(KW)
1
1
±1%
±2%
±2%
±2%
±2%
±3.8%
±3.8%
±3.8%
五、运行效果及系统评价
1．运行效果：地热水经过板换热后，直接供暖及热泵间接供暖的建筑物，冬暖夏凉。大厅16℃左右，温度梯度合理。室温由用户自行控制，部分由计算机网张控制，一般在22℃左右。凡是有计算机网络控制的房间，室温都比较合理，在夜间不供暖时室温降至12℃-16℃左右。动态测试一个半冬季，用户满意。
2．系统评价：
主要计算公式：
COP=Q1/N1（1）
η=∑Q/∑N（2）
ξ=（T01-T02）/（T01-Tave）（3）
式中：
∑Q=Q1+Q2（4）
Q1=W2（T4-T5）（5）
Q2=W1（T1-T2）（6）
∑N=N1+N2+N3+N4+N5>+N6（7）
式中符号：
COP--热泵热力循环特性系数
T01--地热流体供水温度（℃ ）
N1--热泵输入功率（KW）
T02--地热流体回灌水温度（℃ ）
N2--潜水泵输入功率（KW）
T1--热泵水源侧进水温度（℃ ）
N3--地热水管道泵输入功率（KW）
T2--热泵水源侧出水温度（℃ ）
N4--水源侧循环水泵输入功率（KW）
T4--负荷侧回水温度（℃ ）
N5--级负荷水泵输入功率（KW）
T5--负荷侧出水温度（℃ ）
N6--级负荷水泵输入功率（KW）
Tave--年平均空气干球温度（℃ ）
Q1--热泵制热量（KW）
W0--地热流体的流量（Kg/S）
Q2--直接利用级的散热量（KW）
W1--水源侧水流量（Kg/S）
∑Q--系统散热量总和（KW）
W2--负荷侧水流量（Kg/S）
∑N--系统输入电功率的总和（KW）
ξ--地热流体热能利用率
η--地热供暖系统的总效率
3系统总效率η：实验结果如图6所示
地热水尾水温度T02（℃）越低，系统总效率η越低。热泵的COP也越低。
负荷侧供水温度越低，系统总效率η及热泵的热力循环总效率COP也虎高
4地热水热能利用率ξ：实验结果如图7所示。不采用过大的ξ值，总效率η会有所提高。
图6 不同运行条件下总效率η与地热水回灌温度T02（℃ ）之间的关系
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图7 不同条件下地热水的利用系数ξ及系统总效率η
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六、结论
1．系统总效率η与地热水利用率ξ可以作为地热供暖系统评价的标准之一。本系统的值可达5～9。相应ξ可达0.9～0.7。
2．深井地热水包含了热，矿，水三种成分，除冬季供暖外，另外三季皆可用来供生活热水和其他综合利用。因此与其他源热系统没有直接可比性。