地大热能：地热水热泵空调系统的关键技术研究

    目前，随着常规能源的日益匮乏，国内外开始了寻求新型的可再生能源。地热能以清洁、可再生、无污染等特点逐渐受到人们的青睐。地大热能【中国地质大学（武汉）组建，在地（水）源热泵换热不够、冷热不均、填充不实、漏水、土壤温度过低、井深不够、水质不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等问题有着丰富的经验及客户案例。】在分析深层地热水热泵空调系统的关键技术的基础上，指出深层地热水热泵空调系统的可行性，对于今后深层地热水热泵空调系统发展具有一定作用。

 

    进入21世纪以来，随着国内低温地热资源开发利用的迅速发展，地热利用方式开始由单级直接供热系统向梯级间接供热系统转变。高温热泵技术和低温地板辐射供暖等新型技术的出现使地热梯级供热成为可能。与此同时，以中、低温地热资源为驱动热源的溴化锂吸收式制冷技术也取得了相应发展。纵观近年地热资源的发展现状不难看出，国内低温地热资源的理论研究和示范工程仅仅停留在单一地热供热或供冷阶段，缺少了对地热同时供热供冷技术的理论研究和示范工程。然而，在许多大型公共建筑常有内、外区之分，在供暖季节，建筑物内外区房间供热的同时，因户间传热的影响，内区房间可能需要供冷；此外，冬季牛奶厂的不同厂房也需要同时供热供冷的热泵空调系统。

 

 

    1 关键技术分析

 

    1.1 板式换热器的选材和优化参数

 

    在深层地热水热泵空调系统中，地热水中常含有氯离子、溶解氧等腐蚀性的化学成分，影响了设备和管道的正常使用寿命。为减少对供热管道和设备的腐蚀，目前工程设计中采用地热间接供热系统，换热设备选用抗腐蚀性强的钛材制成的板式换热器。板式换热器的主要作用是将地热水与循环水隔开，地热水只将热量传给洁净的循环水而并不进入循环系统，从而使地热水的流通只限于从井口到板式换热器的小段距离内，大大减小了防腐处理的难度。

 

    在板式换热器的优化设计中，考虑的主要目标是使换热量达到最大时的投资费用最小，而投资费用主要与换热面积有关。板式换热器的目标函数可用其换热量最大和年投资费用最小来评价。优化参数是影响目标函数的变量，对深层地热水热泵空调系统来说，地热水的水流量和出水温度是恒定的，而地热水的第一级回水温度、与地热水换热的循环水流量和进、出121温度和地热水的回灌温度均是可变参数，因而可作为板式换热器的优化参数。

 

 

    1.2 高温热泵技术

 

    热泵技术是热能利用中的节能技术，通过消耗一定的能量(电能或高温热能)，从低温热源中吸收一部分热量，而得到更高的可供利用的热量，其性能优劣一般用供热系数COPh来衡量。在深层地热水热泵空调系统中，为实现地热水的多级利用，对出水温度在60-85℃的地热水经第一级利用后，地热回水再与第二级板式换热器换热，将热量传给高温热泵蒸发侧的中间循环水，经热泵升温后，其负荷侧供水温度可达到80℃左右，一部分为建筑物供热，另一部分作为溴化锂吸收式冷水机组的驱动热源，实现了对建筑物的供冷。因常温热泵的蒸发器进水温度不能超过2l℃，否则会因蒸发压力过高导致压缩机烧毁；常温热泵冷凝器的出水温度不能超过55℃，否则也会因冷凝压力过高导致压缩机烧毁。同时大部分建筑供暖系统的木端形式为散热器，供水温度必须达到75℃以上。而地热回水温度较高，一般在40"C以上，常温热泵无法直接利用，故而采用高温热泵。

 

    1.3 风机盘管技术

 

    在常规的空调供热系统中，风机盘管的设计未考虑温度、流量变化对运行工况的影响，如风机盘管标准工况进口温度为60℃，热水的质量流量较大，换热后设计的进出水温差仅10℃左右。然而，在深层地热水热泵空调系统中，由于地热水温度和流量的变化导致风机盘管的运行工况不稳定，因此风机盘管运用于深层地热水热泵空调系统中会出现一定的困难。

 

    风机盘管设备材料的选择主要从节省投资费用方面来考虑，风机盘管主要由翅片换热器和风机两部分组成，翅片换热器的成本由材料费和制造费组成，材料常用钢管铝翅片和钢管钢翅片，而采用钢管铝翅片时供热成本最低，故深层地热水热泵空调系统用风机盘管的翅片换热器的材料采用铝片钢翅片，管束材料选用铜管。

 

    风机盘管设备的优化中，以供热量最大和投资费用最小为目标函数，即单位供热量的风机盘管投资费用最小。

 

    2 深层地热水热泵空调系统的可行性研究

 

    深层地热水热泵空调系统的基本原理是利用60"-'85℃的低温地热资源实现对某些建筑的同时供热供冷，地热水先经第一级板式换热器换热后，获得热量的循环水作为风机盘管末端系统供热的热源；地热回水再与第二级板式换热器换热后，将热量传给高温热泵蒸发侧的中间循环水，经热泵升温后，其负荷侧供水温度可达到80℃左右，一部分实现建筑物供热，另一部分作为溴化锂吸收式冷水机组的驱动热源，制取7℃左右的冷媒水实现建筑物的供冷需求。

 

    2.1 基本原理的可行性方案

 

    我国的地热资源以中低温为主，90℃以下的地热资源占总数的96％左右，其中大部分在60～85℃之间；而全国最大的地热田山东商河地区的地热水的出水温度在56-68℃。根据我国地热资源的以上特点，对不同的出水温度，拟采用两种不同的深层地热水热泵空调系统方案。下面主要介绍两种方案的基本原理并讨论其可行性。

 

    对出水温度在90℃左右的地热资源，先作为热水型两级溴化锂吸收式制冷机组发生器的驱动热源，实现了对建筑的供冷需求；换热后的地热水温度是70℃左右，经第一级板式换热器换热后，将热量传给中间循环水，获得热量的中间循环水可作为地板采暖或风机盘管的供热热源，实现了对建筑的供热需求：由第一级板式换热器出来的地热回水温度为50℃左右，再经第二级板式换热器换热后，获得热量的中间循环水温度仅为30-40℃，恰可作为中、高温热泵机组蒸发侧的循环水，经热泵升温后，冷凝侧的出口温度达到了60℃左右，可作为地板采暖或风机盘管的供热热源，实现了对建筑的供热需求。

 

    2.2 高温热泵技术

 

    在我国，低温地热资源占地热能总量的98％以上。目前，全国地热资源直接利用总量已达到2410MW，居世界各国前列，但利用水平和效率比较低，对于25℃～50℃温度段的能量利用率很差。为实现地热资源的可持续发展，国家制定了“十五能源发展战略规划”：要求调整能源结构，减少燃煤造成的污染，大力开发可再生能源，其中提到了利用热泵技术来充分利用低温地热资源。地热作为一种清洁能源，实现了建筑供暖，该技术在我国北方城市发展迅速，目前天津市地热供暖面积已达到约2000万平方米，位居全国前列。北京市地热供暖面积也达38万平方米。低温地热资源利用主要解决的三个问题是：

 

 

    (1)为实现低温地热资源的梯级利用，必须对温度在40℃左右的地热尾水温度加以利用；

 

    (2)对一些温度在55℃左右的低温地热田，其能量品位低，不能直接作为散热器末端供暖；

 

    (3)减少因地热尾水排放所造成的热污染和地面沉降等问题。对于40*C左右的地热水，普通热泵无法利用，因为普通热泵的蒸发器进水温度不能超过21℃，否则会因蒸发压力过高导致压缩机烧毁；而且普通热泵冷凝器的出水温度不能超过55℃，否则也会因冷凝压力过高导致压缩机烧毁。此外，建筑供暖系统的末端形式主要有风机盘管、地板采暖和散热器末端，设计供暖温度都在60℃以上，因此实现地热水的梯级利用必须使用高温热泵技术。

 

    高温热泵机组采用高温工质HTR01或HTR02作为制冷剂，可以把30-60℃的低温地热水加热到70-90℃，从而实现了地热水的梯级利用，基本解决了低温地热资源利用中的三个问题。此外，高温热泵技术使深层地热水热泵空调系统的两种方案成为可能。

 

 

    综上所述，深层地热水热泵空调系统在原理上是可行的，该系统方案可实现对建筑物的同时供热供冷需求。在许多大型的公共建筑中常有内、外区之分，在供暖季节，建筑物的外区房间需要供热的同时，因户间传热的影响，内区房间需要供冷。湖北地大热能科技有限公司首创地源热泵技术“打包”成功推向市场，成为了集地源热泵设计、施工、维护、地源热泵地热井维修、地源热泵设备维修、地源热泵运营托管等为一体的系统服务提供商，目前已累计有20多个业主单位，成功实施了100多个项目，最长的项目已经运行了十几年。