地熱水梯級利用方式的舒適性和經濟性分析

中國建筑設計研究院 ■ 曹榮光

天津城建大學 ■ 李憲莉

中國地鐵工程咨詢有限責任公司 ■ 董書蕓

一 前言

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，世界各國對能源的需求也越來越多。根據世界能源委員會(WEC)報告，全球三大常規能源急劇匱乏，價格急劇上漲。同時，大量使用煤炭、石油等常規能源也帶來了全球變暖、酸雨等環境污染問題。因此，可再生能源的開發和利用被放在突出位置[1]。地熱能是一種清潔可持續利用的能源，我國有著豐富的地熱資源。目前，在我國已興起地熱直接利用的新高潮，尤其在高緯度較寒冷的三北(東北、華北、西北)地區，地熱水的開發力度加大。這項工作的開展，不僅有效利用地熱資源，取得明顯的經濟效益，而且減少了大量有害物質的排放。但是，由于過去我們缺乏規模開發的思想和技術準備，對中低溫地熱能利用持較消極的觀念，再加上大部分地熱被用于洗浴、游泳池、水產養殖以及農業，因此地熱事業的發展明顯滯后[2]。同時，在開發地熱能的過程中，熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中，對周圍環境造成影響。地熱水中還含有對環境有益和有害的常量、微量及放射性成分，并且排放溫度大都在40℃左右[3]。這樣，地熱利用一定程度上增加了環境污染，且破壞了地熱資源。因此，全面考慮低溫地熱水的利用至關重要。水源熱泵可實現低位熱能向高位熱能轉移，能回收地熱尾水的熱量，并利用地熱盤管作為末端進行供熱。目前，熱泵和地板輻射采暖得到很好的普及，這為利用地熱尾水進行供暖提供了良好的設備支持。

本文提出地熱水梯級利用方案，即溫度較高地熱水先進入散熱器散熱，溫度降低后再進入水源熱泵的蒸發側，溫度降至一定程度后回灌；水源熱泵冷凝側得到較高溫度熱水進入末端地熱盤管放出的熱量；這樣，地熱水可用溫差增大，排放溫度降低，以達到節約能源與保護環境的雙重效益。

二 梯級利用方案

地熱水梯級利用方式如圖1所示，具體流程為：地熱水由地熱井抽出后，經過一次網送至各個用戶端，在原有鑄鐵散熱器散熱后，匯集到各個熱泵機房，由熱泵再次提取熱量，溫度降低后排放。水系統包括一次網系統和二次網系統，其中，一次網系統是開式系統；二次網特指水源熱泵機組負載側的水系統，經過二次網把機組制出的熱水送至各個用戶端，經過末端地板輻射系統散熱后，再次回到機組，形成閉式循環。

該梯級利用方案采用低溫熱水地板輻射采暖，比散熱器對流采暖規定的房間平均溫度可降低1～3℃，且溫度沿高度方向均勻分布，房間上部溫度升高所增加的無效熱損失減少，節省了采暖能耗。另外，該系統可實現三種供暖運行模式：在供暖初寒期和末寒期，室外溫度較高時，可僅采用散熱器供暖以滿足用戶的溫度要求，即地熱水經過散熱器散熱后直接從旁通管回灌；隨室外溫度降低，僅靠散熱器不能滿足用戶需求時，采用散熱器與地板輻射串聯的供暖方式，散熱器的回水直接進入地板輻射盤管，兩種散熱設備同時向用戶提供熱量；當室外溫度繼續下降，這種模式也未能滿足要求時，開啟水源熱泵，利用水源熱泵制出的熱水供給地板輻射盤管，提高地板輻射盤管的散熱量以滿足用戶要求。采用這三種供暖運行管理模式，可充分利用低溫地熱水這種低品位能源，從而節省高品位能源的電能。

三 舒適性分析

一般情況下，地板輻射采暖能保證沿高度方向3m以內溫度分布均勻，有利于避免或減少由于寒冷產生的各種疾病[4]。而在大空間內采用地板輻射采暖系統能否在其上部空間滿足溫度要求，是本文研究的內容。為此采用Airpak模擬軟件對天津市動物園的長頸鹿館的采暖效果進行模擬。

1 模擬分析

(1)物理模型

如圖2所示，長頸鹿館的館舍幾何尺寸較大(22.5 m×14.5 m×7m)，屬于供暖過程中最不利的情況，因此選擇長頸鹿館作為模擬和測試的代表。

(2)數學模型

CFD技術在室內熱環境中的應用是基于對室內不可壓縮氣體質量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數值解析[5，6]。本文研究的為紊流的三維穩定流場流動問題，基于空氣紊流特性的微觀解析，利用Airpak軟件，采用Launder及Spalding等提出的一種平均湍流能量模型即標準k-ε雙方程湍流模型求解方程組。

控制方程如下：

①質量守恒方程(連續性方程)質量守恒方程如式(1)所示。

對于不可壓縮流體可簡寫為：

②動量守恒方程

式中，μ為動力粘度；I為單位張量；等式右邊第二項反映體積膨脹的影響。

③ 能量守恒方程

對于流體區域能量方程可用顯熱焓h表示，表達式為：

式中，k為分子電導率；kt為紊流傳遞形成的電導率，；Sh為源項，所定義的任何體積熱源；，Tref為298.15K。

對于固體區域，則是一個包括傳導熱流和固體內部體積熱源的簡單傳導方程，如式（6）所示。

邊界條件：

b.對于低溫地板采暖房間，在穩定傳熱條件下，室內熱平衡表達式為：

式中，qf為圍護結構內表面凈輻射換熱量，W；τn為圍護結構內表面溫度，℃；F為圍護結構面積，m2；Rn為圍護結構內表面對流換熱熱阻，(m2·℃)/W；R0為圍護結構總熱阻，(m2·℃)/W；α為溫差修正系數。

(3)模擬結果與分析

圖3為模擬地板表面的溫度分布，從圖中可看出，在動物活動的外圍，溫度基本低于24℃，而在靠近外墻和外門的地方，部分溫度低于20℃。在動物活動區的溫度基本在27℃以上，能滿足動物冬季采暖需求，不會出現由于地面溫度低而導致動物不適的情況。圖3還顯示在房間中心地帶溫度明顯高于其他部位，這主要是分布在周邊散熱器在空間形成渦流而造成的。

房間中心位置在垂直方向的溫度分布如圖4所示，在靠近地面2m以內溫度變化較大，在2m以上溫度分布較均勻。

常規地板輻射采暖房間在垂直方向的溫度分布一般在0.5m以上就較均勻了，本文的模擬結果之所以出現這種情況主要是由于房間面積較大，高度約為7m，屬于大空間建筑，周圍散熱器的作用使得在3m以下范圍內房間溫度波動較大，但在空間上部溫度分布十分均勻，這樣的溫度分布對長頸鹿來說是舒適的，因為長頸鹿較高大，上部溫度稍低，長頸鹿的軀干基本在2～3m的范圍。由模擬結果顯示地板輻射采暖在大空間內能滿足要求。

2 實驗研究

(1)測試儀器

本測試所用的測試儀器主要為干、濕球溫度計，美國fluke公司生產的數據采集系統(圖5)，熱電偶等。

(2)測試結果與分析

① 地面溫度分布曲線

圖6為在不同位置的地板表面縱向溫度圖，從圖中可以看出，溫度的分布呈明顯先升后降趨勢，在房間中部地面溫度達到最大。為使選取測點具有代表性，選取的x=2.65m和x=5.3m處分別為外門正對和靠近門的地方，受冷風滲透的影響，地板表面溫度明顯低于房間中央溫度；在靠近外門處地面溫度明顯偏低。

從實測結果可以看到，地面溫度基本保持在23℃以上，最高實測值為28.67℃。

② 空間溫度分布曲線

圖7和圖8分別是測試房間垂直方向的平均溫度分布曲線和任取某一點垂直方向的溫度分布曲線。

從圖中可以看出，無論是整個空間同一高度的平均溫度還是某一點在垂直方向的溫度其分布是相似的。在靠近地面0.2m內，溫度梯度較大，然而在整個空間內溫度梯度變化較小，約在2.5～3.0m的范圍內溫度達到最大，然后趨于平緩，整個房間溫度維持在20℃，從實測效果來看完全滿足實際采暖需要。高度2.5～3.0m范圍內溫度稍高，這是由于散熱器的傳熱主要是對流散熱，熱氣流上升，使上部空間溫度明顯高于下部，而在大空間范圍內，散熱器的散熱量不占主導地位，且散熱器進出口溫度要比常規散熱器采暖溫度低，所以隨著高度的增加，散熱器的作用逐漸減弱，在上部空間溫度分布又趨于穩定。

③ 模擬值和測試值的比較

從圖9可清楚地看出無論模擬結果還是實測結果均能滿足實際要求，房間內溫度都在18℃以上。圖中測試值高于模擬值，經分析認為這主要是由于在實際運行時，房間門窗外側有擋風棉被和塑料布遮擋，使得房間熱負荷減小。溫度分布的模擬值和實測值能很好地吻合，從而說明地板輻射采暖在高大空間中應用效果能滿足實際需要。

四 經濟性分析

天津市動物園始建于1975年，歷經5年精心建設，于1980年1月1日正式開放。原有供熱工程采用3臺4t/h燃煤鍋爐制出85℃/60℃的熱水和四柱760型鑄鐵散熱器進行供暖。隨著動物園的不斷發展，供熱負荷逐漸增加，現有管網的承載能力已達到極限，同時由于使用時間較長，管網腐蝕情況嚴重，維修管理費用逐年增加。為支持天津市“藍天工程”，保護環境，結合現有資源，決定采用清潔地熱能源進行供熱，供熱面積共計9093.8m2。動物園原有地熱井一口，井深1000m，出水溫度45℃，水質較好。針對該工程，有關部門提出兩種方案：

1 混水方案

在地熱水進入蒸發器前與機組回水混合，以降低進水溫度。如圖10所示，45℃地熱水和10℃的熱泵機組排水在熱泵機組進口處混合至33℃左右后進入熱泵，溫度降至10℃回灌。機組制出的熱水通過外網輸送到各個館舍，末端采用地板輻射或風機盤管供暖。由于原有管網設計供回水溫差為25℃，而改造后的溫差為5℃，所以水流量加大，導致原有管網管徑不能滿足要求，需更換。

2 地熱水梯級利用方案

如上所述，地熱水經過散熱器降溫后，再進入熱泵機組供熱泵提取熱量。此方案可利用原有管網作為一次管網，僅需增加二次管網。

工程造價是指進行某項工程建設所花費的全部費用，它直接決定方案的可實施性，表1從機組、水泵、管網、末端設備造價等方面對兩種方案進行了經濟性比較。

表1 兩種方案的工程造價對比

從表1可以看出，采用梯級利用方案的工程造價低、經濟性好。

五 結論

(1)隨著能源危機的加劇和傳統能源價格的升高，地熱尾水排放溫度高已成為一個突出問題。利用熱泵回收地熱尾水中的熱量進行供熱，可進一步提高地熱能的利用率，同時使地熱水的排放溫度降低到環保要求，具有較好的經濟效益和環境效益。

(2)結合實際工程，利用Airpak軟件和實驗測試研究了高大空間的熱舒適性，通過分析得出地板輻射采暖的可行性和優越性，并從經濟角度分析了梯級利用方案的優越性。

[1] 毛業斌.水源熱泵及其應用前景[J].機電設備, 2005, 22(1): 29－32.

[2] 祖偉.天津市地熱資源利用現狀和發展對策[J].國土與自然資源研究, 2000, (3): 23－24.

[3] 王海霞.地板輻射采暖傳熱性能的研究[D].天津: 天津大學,2003.

[4] 宋國軍.水源熱泵機組水源側串聯運行特性研究[D].天津: 天津大學, 2005.

[5] 陶文銓.數值傳熱學(第二版)[M] .西安: 西安交通大學出版社, 2001.

[6] Srebric J , Chen Q Y, Glicksman L R.Validation of a zeroequation turbulence model for complex indoor airflow simulation[J].ASHRAE Transactions, 1999, 105(2): 414－427.