地熱能與水源熱泵的聯合開發應用

王燕付苗苗

（1.華北油田技術監督檢驗處；2.華北油田供水供電服務中心）

華北油田某供熱中心在2014年結束由小型燃煤鍋爐為礦區集中供暖的現狀。該供熱中心有兩眼優質自噴地熱井，一采一灌，出口溫度105℃，出口壓力0.30MPa，流量65m3/h。結合礦區新建小區面臨采暖的契機，采用換熱聯合熱泵進行地熱能的梯級開發利用，滿足12×104m2新建小區的采暖需求，同時為綠色低碳發展之路輔以綿薄路石之力。

1 設計方案

新建小區采暖面積12×104m2，以高層建筑為主，除部分一樓商戶外均為居民住宅，末端采用地板采暖，分成高、低區供暖。根據當地氣候條件和設計規范[1]，設計熱負荷為45W/m2，供暖總熱負荷5400kW；現有地熱井井水出口溫度105℃，考慮管道輸過程熱損失，可利用的溫度為100℃，流量為65m3/h，地熱利用后的回灌溫度需在27℃以下。如果單純利用直接換熱作為最終的利用形式，回灌溫度最低為45℃左右，遠滿足不了小區熱負荷要求，因此需要對地熱能進行梯級利用，利用熱泵技術對45℃的低品位熱能繼續提取，以滿足小區熱負荷需求。

經需求分析后，制定出了對地熱能進行梯級利用的設計方案，采用換熱加水源熱泵的形式對地熱能深度利用。首先地熱水經過一級板式換熱器（負責高區供暖）；一級換熱后的尾水進入二級板式換熱器，二級板式換熱器二次側連接水源熱泵蒸發器，熱泵負責低區供暖。系統配置了PLC系統，可實現自動化控制。

方案流程如圖1所示，地熱來水經過三通閥一支進入一級板式換熱器，一級板式換熱器一次側出水（設計45℃）匯同三通閥另外一支地熱來水一并進入二級板式換熱器，地熱水經二級板式換熱器后回水回灌地下（設計15℃），二次側與熱泵蒸發器完成熱量交換。一級板式換熱器為高區供暖，熱泵則為低區供暖。此設計充分提取地熱潛能，設計最終回灌溫度是15℃，既能滿足當前小區采暖的熱負荷又可充分保證水源熱泵的實際COP處于較高值，有效降低水源熱泵電能消耗。

圖1 小區供暖方案流程圖

2 存在的問題

按照設計，項目如期竣工并投運，但在應用中卻發現了問題，導致熱泵機組無法安全使用。

1）熱泵蒸發器冷凍水（井水）入口溫度偏高存在安全隱患。為充分利用地熱能，設計了地熱井來水三通閥，目的是在滿足一級板式換熱器供熱負荷時將富余的少量高溫地熱水直接引入熱泵蒸發器，以提高熱泵實際COP。然而在實際應用中，由于供暖初期小區熱負荷需求較低，100℃的高溫地熱水混入導致熱泵蒸發器冷凍水（井水）入口溫度過高，特別是在熱泵冷凝器出水達到設定溫度壓縮機停機后，高溫冷凍水會導致熱泵壓縮機內工質（R22）壓力升高，超過安全壓力致使安全閥打開，從而發生安全事故。

2）保證熱泵蒸發器冷凍水（井水）入口溫度前提下，高、低區供熱負荷相互矛盾。為避免蒸發器冷凍水入口溫度過高，需將三通閥去二級板式換熱器分支關閉或調至極小，但這樣操作會帶來高、低區熱負荷相互矛盾的問題。由于一、二級板式換熱器的串聯運行設計，尤其是在供暖初期，滿足一級板式換熱器（高區供暖）熱負荷的地熱水流量滿足不了水源熱泵（低區供暖）蒸發器熱量需求，導致蒸發器冷凍水出口溫度過低，無法滿足低區供暖需求，為滿足蒸發器熱量需求只有將高溫地熱井水部分引入二級板式換熱器，但事實證明這一小部分流量的引入極有可能引發安全事故；相反，如果保證了熱泵蒸發器熱量需求，則會導致高區供暖負荷過大，此時供暖溫度高達60℃，超出地板采暖溫度范圍。

3 改造方案

上述問題的產生主要是因為采暖初期的室外平均溫度遠高于建筑物熱負荷計算中的采暖室外計算溫度值，加之相對保守的設計熱負荷，在氣溫相對較高的采暖初期或末期，問題更加明顯，嚴重影響了正常供暖。針對現狀，改造的思路應著眼于工藝和安全保證兩個方面。

根據初期運行采集的數據，經設計部門重新核算，采暖初期高區、低區直接利用換熱也能滿足采暖負荷要求。因此對供暖工藝進行了改進，改進后的方案流程見圖2。

圖2 改進后的方案流程圖

改進后，在氣溫相對較高的供暖初期和末期用板式換熱器換熱后直接供暖，熱泵暫時停運。此時，打開閥門1、2、3，關閉閥門4～8，構成一級、二級板式換熱器的并聯運行，分別為高區和低區供暖，各供暖負荷分別由電動三通閥A和B調節；氣溫較低單靠換熱滿足不了小區采暖負荷時，關閉閥門1、2、3，打開閥門4～8，啟動熱泵，繼續提取地熱能。

相比初始方案增加了三通閥B，其目的是滿足一級、二級板式換熱器靈活調節負荷的需求；增加了安全系數，當熱泵運行至設定負荷壓縮機停機時，可由PLC系統自動關閉三通閥B去二級板式換熱器分支通道，防止高溫地熱水的混入導致熱泵壓縮機工質壓力驟升而出現安全事故，當壓縮機再次啟動后，再自動恢復該分支流量以滿足熱泵蒸發器側熱量需求，保證COP值始終在4.0以上。

4 實施效果

優化方案實施后，經一個多月的初步運行，采暖前期采用兩級板式換熱器并聯運行的方式運行平穩，用戶室內溫度平均19℃以上，供暖效果理想。同時，地熱能的優勢凸顯，加之方案優化后，熱泵實際運行時間遠小于原設計時間，按目前參數測算，熱泵僅在寒冷期運行20天左右，能耗大幅度降低，同上一采暖期燃煤鍋爐供暖相比，煤電消耗對比見表1。

表1 2種供暖方式煤電消耗對比

對比運行地熱加熱泵與運行燃煤鍋爐的供暖方式，單位能耗顯著下降。采暖面積為12×104m2小區，每個采暖期可減少燃煤消耗1800t（標煤），減少CO2排放4500t左右，無論是經濟效益還是環境效益都非常可觀，達到了綠色供暖。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ26—2010嚴寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京:中國工業出版社,2010.