淺談熱泵在低溫地熱井中的應用與經濟性

2013-10-11 00:42:40劉琨

資源節約與環保 2013年6期

關鍵詞：生活

劉琨

(天津市熱力公司天津 300070)

1 小區地熱井簡介

小區地熱井建于1998年九月，99年正式開始投入運行，由地熱井向小區用戶直接提供生活熱水。地熱井出水溫度44℃，開采量91T/h，動水位91m。目前小區使用生活熱水的總戶數為866戶。

2 地熱井設備及運行現狀

2.1 設備情況

表1 小區生活熱水所用設備一覽表

2.2 工藝運行情況

地熱水由深井泵抽出，送入容量為50T的兩個儲水罐內，然后再由生活熱水泵從儲水罐輸送到外管網及室內熱水用戶。深井泵及生活熱水泵均采用變頻調速，深井泵由儲水罐液位控制，生活熱水泵由外網壓力控制，控制點為3.5kg/cm2，生活熱水循環回到泵房后，由溫度控制電磁閥的開啟，當溫度低于38℃時，打開電磁閥排水，溫度高于38℃時，電磁閥關閉。

2.3 生產運行情況

現運行一臺55kW深井泵和一臺15kW生活熱水泵，兩臺泵均為變頻調速，連續24小時向用戶供給生活熱水。地熱井實際開采量為28T/h，實測出水溫度42℃。

3 小區生活熱水存在的問題

3.1 供水溫度偏低

供水溫度：在熱水集中供應系統的出口最低溫度，應保證管網最不利配水點水溫不低于使用要求。

住宅：淋浴器37—40℃；洗臉盆、盥洗槽水龍頭30℃

地熱井出水溫度42℃，小區全年由地熱井水直接供給。除夏季回水溫度高于35℃以外，其它三季用于生活熱水，溫度有些偏低。故在冬季采暖運行期借助鍋爐，通過板式換熱器來提高用水溫度。而在鍋爐開啟前和停止運行以后的春、秋兩季，存在供水溫度偏低，不能滿足小區供水溫度要求。

3.2 管網某些配水點供水循環不好

小區生活熱水，目前為24小時連續向用戶供給。如地熱回水全部排放，熱水循環泵流量在28m3/h左右；如地熱回水不排放，循環泵流量在15m3/h左右。而外網是按最終規模設計，就目前實際為0.1m/s—0.25m/s的管網系統，相對流速偏低。由于熱水系統，由熱源至最遠端總長度達800米，以上的管網流速，在配水和回水管中循環一周大約需要3小時，而正常的循環時間應該是30分鐘。因而造成管網某些配水點供水時循環被破壞，是形成較遠端生活用水循環不暢的主要原因。

3.3 管網系統的排氣裝置不鍵全

小區生活熱水系統為上供下回式，但在系統的最高點處未設排氣裝置，造成管網中氣體無法排除，所形成的氣體阻礙了系統水的正常運轉。

3.4 室內生活熱水系統有問題

部分用戶室內系統有問題，釋放冷水時間過長。這種情況不但在較遠端用戶中存在，較近端用戶中也同樣存在，分布不均勻。

3.5 系統的循環回水基本排放

管網系統的生活熱水循環回至泵房，低于38℃時全部排放。由于供水溫度較低，系統回水基本都低于38℃，而全部被排放。這不僅浪費了大量可利用的地熱資源，也增加了地熱水開采量，是一種很不經濟的運行方式。

4 解決問題的方法與途徑

針對生活熱水溫度偏低；較遠端熱水循環不好；釋放管網中冷水時間過長等原因決定：

（1）對熱源部分進行改造，并將全年分為多個階段運行：通過鍋爐、熱泵、電等分解加熱方式，提高供水溫度。

（2）重新選擇熱水循環泵的定壓控制值，并增加一個溫度控制閥來控制熱水循環泵（變頻）的開啟與關閉。當低于壓力設定值以及回水溫度不能滿足用戶需要時，循環泵開啟，否則關閉，以提高最不利配水點的循環量和供水溫度。

（3）對整個管網的各管段配水量進行全面調整，由近端開始，依據各樓門使用熱水的戶數，適量調節閥門開啟度，以解決較遠端用戶的供水問題。

（4）對上供下回的室內熱水供應系統，在其最高點處安裝排氣閥，解決系統循環不暢問題。

（5）針對室內系統存在問題的用戶，視具體情況，依據排除法逐步分析研究，找出其共性以及各自存在的特性問題，尋求最佳解決問題的方法。

（6）將熱水供應系統改造成回水不排放，使其回到冷儲水罐并能加以循環利用，減少地熱開采量。

5 提高小區生活熱水質量方案選擇

解決小區春、秋兩季生活熱水質量問題可通過三種途徑加以完善：

（1）全部通過熱泵提高供水溫度。

（2）通過電、熱泵互補提高供水溫度。

（3）全部通過電加熱提高供水溫度。

通過一組詳細數據加以論證，見表二。

表2 方案中每加熱一噸水（42—50℃）能源消耗量

由以上數據顯示，由燃煤將42℃地熱水加熱到50℃所需費用最低，僅為1.763元/噸水；由熱泵加熱所需費用次之為3.746元/噸水；由電加熱所需費用最高為7.44元/噸水，因此，采用電加熱方式不予考慮。

改造方案按四個時段考慮，即：①夏季的6月中—9月中，此階段不對生活熱水加熱，由地熱水直接向用戶供給，以90天計算；②春、秋兩季，由熱泵加熱生活用水，溫度在45—48℃之間，為145天；③冬季由供暖鍋爐通過板式換熱器將生活用水加熱到48—50℃，時間為130天。

為保證熱水管網在停止供水時期的壓力和管網不發生銹蝕，可在原有三臺熱水泵之間再增加一臺循環量較小，功率較低，但必須能保證管網壓力的循環泵，使管網始終處于有壓和非靜止狀態。

上述方案又可分三種情況向用戶提供生活熱水：

（1）連續24小時提供熱水。

（2）周一至五，白天連續14小時（早6：00—晚8：00）；

周六、日連續24小時。

（3）周一至五，分段間歇（早5：00—8：00；下午5：00—晚11：00）；

周六、日連續24小時。

6 熱泵的工作原理及投資改造費用

熱泵的工作原理：對出水溫度為42℃的井水，通過熱泵加熱到50℃供給用戶，回水40℃，溫降10℃，利用容量為50噸的高溫水罐貯存加熱后的熱水。設加熱時間為4小時，即通過熱泵把42℃的地熱井水加熱到50℃并貯存在高溫水箱內，以備用戶使用。采用原設計中另一水箱作為此熱泵系統中熱源，即為熱泵蒸發端。

高溫水箱的回水管路與低溫水箱進口相連接，以補償低溫水箱水量減少；同時井水出口管路也與低溫水箱相連，以防止高溫回水水量不夠補償低溫水箱排水時導致低溫水箱溫度過低，而使機組效率降低。另在低溫水箱底部設置溫度控制器，當水溫為25℃時，控制器的控制閥打開排水。機組冷凝端入水溫度42℃，出水溫度50℃；蒸發端入水溫度40℃，出水溫度25℃。