熱泵技術利用地熱尾水在集中供熱系統的應用案例

朱憲良郝慶（渤海石油水電服務公司，天津，郵編： 30045）

一、前言

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎。隨著人類文明的進步和社會發展，人類對能源的消耗愈來愈多。因此，大力發展新能源與可再生能源已成為我國21世紀發展國民經濟和建設小康社會刻不容緩的主要任務和戰略目標。國務院總理溫家寶在十一屆全國人大三次會議上指出：要大力發展新能源、新材料、節能環保等產業。大力發展低碳技術，推廣高效節能技術，積極發展新能源和可再生能源。

供熱是能源消耗的大戶，從目前我國的能源利用結構和城市集中供熱發展態勢看，以熱電聯產和大型區域鍋爐房為熱源集中供熱仍然為主體。但近年來，隨著一次石化能源開采量飛速增加而帶來的能源緊張情勢促使以利用地熱、工業廢水、地表水、城市污水、燃氣、太陽能等方式作為輔助性環保熱源參與集中供熱所占的比例逐年增加。熱泵技術是應用低位可再生能源的重要技術措施之一。人們愈來愈關注如何通過熱泵技術，將貯存在土建、地下水、地表水或空氣中的太陽能之類的自然能源以及生活和生產排除的廢熱，用于建筑物采暖和熱水供應等方面，從而有效地降低高位能的耗散速度。

本文通過闡述天津塘沽渤海石油水電服務公司港區水暖分公司（下簡稱“港區”）采用熱泵技術利用地熱尾水資源替代原有燃氣鍋爐進行供熱所取得的可觀經濟和社會效益，從而為同行業的供熱企業提供借鑒和參考。

二、熱泵技術簡介

（一）熱泵。

熱泵僅需要消耗少量高品位能源（電能或燃料），就能從低溫熱源（如環境空氣、海水、土壤等）中抽取大量低溫熱能，將其溫度升高后“泵送”給用戶。顧名思義，熱泵也就是向泵那樣、可以把不能直接利用的地位熱能（如地熱、工業廢熱、城市污水、空氣、土壤、太陽能等）轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。

熱泵雖然需要消耗一定量的高位能，但所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能與吸取的地位熱能的總和，也就是說，應用熱泵，用戶獲得的熱量永遠大于所消耗的高位能（水源熱泵常規能效比在4以上）。因此，熱泵是一種節能裝置。

（二）熱泵應用。

70年代以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，廣泛應用于空調、供熱和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。

我國熱泵技術的研究工作起步較晚。80年代以后，熱泵技術的研究日益受到重視，并取得了一系列的研究成果，部分企業產品技術水平和產品質量已達到或接近國際領先的地位。90年代后在集中供熱領域得到了較好發展，像北京的地熱尾水利用、沈陽的大面積地下水源、污水熱源泵利用項目等均很成功。

熱泵系統的經濟性和可能提供的熱能品質都與熱源的特性有關，而熱泵應用的關鍵之一就是尋找并巧妙地利用合適的熱源。

三、熱泵技術應用背景

渤海石油港區原有供暖熱源為區內40蒸噸的燃氣蒸汽鍋爐房。2007年10月《港六地熱井直接供暖項目》實施投產后，利用港六井地熱水替代原來鍋爐蒸汽，實現了港區6萬m2辦公樓的冬季供暖。地熱井在供暖生產中得到初步應用，港區地熱供暖份額由改造前的5%提高到42%左右，經濟和社會效益明顯。但仍存在以下節能減排潛力：

1、地熱尾水還有利用潛力

港區地熱直供后港六井的地熱水雖得到較大程度的利用，也有了較好的節能成效。但其直供后地熱尾水排放溫度為42℃左右，流量約為80方/小時，這部分地熱尾水的排放也存在著熱量的浪費。依靠現有工藝和設備無法對其進行利用，還存在較大的利用潛力。

2、地熱尾水未實現達標排放

港六井直供后尾水排放溫度為42℃左右，未達到天津市地熱尾水25℃以下排放標準。天津市《關于進一步規范地熱開發利用方式提高地熱資源利用率的通知》(津國土房熱［2008］63號）文件中規定“2008年底前地熱尾水35℃以下排放，2009年底前地熱尾水25℃以下排放”。

四熱泵技術應用項目

針對上述問題，我們在國內對熱泵技術進行了大量的調研和論證工作，最終確定了溴化鋰吸收式水源熱泵。由于項目的核心設備—溴化鋰吸收式水源熱泵為國內較早使用天然氣為動力的吸收式水源熱泵，因此我們邀請國內行業專家對項目進行綜合論證和評審，經專家評審該項目技術和經濟可行。同時根據港區的實際供暖情況，我們要求廠家依據實際及后期的保障運行進行設計和制造。

（一）改造創造性

國內首例利用以天然氣為動力的吸收式水源熱泵提取地熱尾水的余熱，將低溫水加熱成滿足采暖需求70℃高溫熱水。同時將供暖尾水排放溫度由原來的約42℃降低到25℃以下。

水源熱泵原理：通過壓縮或吸收工藝將熱量由“低”溫介質向“中”溫介質傳遞，形成“高”溫介質加以利用，提升了所用介質（水）的熱品質。形象類似于用水泵將低處的水提升到高處。

改造工藝示意圖

（二）熱泵技術應用情況

改造前供暖模式：

總供暖面積14.5萬m2（辦公區6萬m2，生產作業區8.5萬 m2）。

3臺燃氣鍋爐（15蒸噸2臺，10蒸噸1臺），1口高溫地熱井，1口低溫地熱井，1座中心換熱站。

改造后供暖模式：

地熱直供（6萬平米）+熱泵供暖（8.5萬平米）=14.5萬平米。

經2009-2010年一個完整采暖期的運行，地熱直供結合熱泵經受住了天津幾十年不遇的極寒氣溫-16℃的考驗（150天供暖，3臺鍋爐一天沒點），保障了渤海港區生產、辦公供暖需求，大幅度降低了供暖運行成本。

五、熱泵應用產生的效益

（一）經濟效益

每年節省天然氣180萬方（由260萬方至80萬方）直接產生經濟效益486萬元；同時節約材料、修理費、自用水電等費用24萬元，累計節約510萬元/年。項目投資500萬元，實現了當年投資，當年回收成本。

（二）社會效益

減少污染物排放：二氧化碳300t/a。

地熱尾水由之前的42℃降至25℃以下達標排放，地熱資源得到充分應用。

七、結論

能源結構調整是今后集中供熱企業需要面對的嚴峻的社會現實問題。減少煤炭、燃油在整個供熱能源系統中所占比例是環節國家能源緊缺的當務之急之舉措，因而從事集中供熱行業的專家、企業都應當結合不同的區域實際、不拘一格，挖掘并開發多種能源利用形式，完善并切實保障城市現代化建設需要的新型集中供熱系統。熱泵作為一種利用高位能使熱量從低位能源流向高位熱源的節能裝置，在制取熱能的能源消耗可比傳統方法節省一倍甚至數倍。因此，熱泵在制取生產和生活熱能的諸多領域，具有廣闊的發展與應用前景。

1、馬最良，呂悅.地源熱泵系統設計與應用.北京：機械工業出版社，2007.1