農村中深層地熱供暖運行工況分析

岳玉亮 齊月松 蔡姝平 張彬彬

1.中國建筑技術集團有限公司 北京 100013 2.北京市工業設計研究院有限公司 北京 100055 3.北京華城永信工程管理有限公司 北京 102200

引言

供暖能耗是建筑能耗重要的組成部分，近年來隨著供熱規模的不斷增大供暖能耗迅速增長，當前供熱面積仍以每年2%-3%的速度增長[1]。截至2016年底，我國北方地區城鄉建筑取暖總面積約206億m2，其中農村建筑取暖面積65億m2[2]。我國農村地區住房能源消耗占總體能耗的7.12%，而在北方地區冬季取暖能耗約占住房總能耗的50%[3]。地熱供暖是指利用地熱能為主要熱源的供熱系統，目前主要集中在北京、天津、西安、鄭州、鞍山等大中城市以及黑龍江大慶、河北霸州、固安、牛駝鎮等油區城鎮[4]。雖然目前北方農村地區地熱能集中供暖研究相對缺乏，但在國家注重農村清潔及低品位能源供暖的大背景下，地熱能供暖系統作為一種重要的節能手段得到了大力倡導，隨著其應用規模的擴大，其建設及運行方式研究變得尤為重要。

本文依托河北某農村地熱站集中供暖工程，通過對冬季供暖實測運行數據分析，定量判斷了地熱站供暖能耗現狀及供暖系統運行中存在的一些問題，為以后農村地區地熱能供暖推廣提供技術參考。

1 項目概況

該農村地熱能供暖項目位于河北地區，總供暖面積為6.963萬m2，供熱設計負荷5222kW。地熱井深1400m，水溫70℃，單井水量120m3·h-1，1抽1灌。由于本項目1口抽水井水量不能滿足供暖需求，故從附近地熱站房取41m3·h-1的地熱水，引至本項目地熱站房。因此，共161m3·h-1的地熱水通過板式換熱器為建筑供熱，共配置2臺板換，水源側供回水溫度為70/42℃,用戶側供回水溫度55/40℃。地熱水供熱系統原理及測試數據點位簡圖如圖1。

圖1 地熱水供熱系統原理及測試數據點位簡圖

2 測點數據分析

選取供暖期11月中旬至3月中旬各月典型日共33天運行數據進行分析，主要測試結果如下。

2.1 地熱站冬季逐日運行負荷及供暖期能耗

根據能量守恒原理，板式換熱器水源側供熱量和用戶側供熱量應該相等。但由于儀表本身誤差，用戶側與水源側測點數據存在一些差距。經計算對比，板換水源側與用戶側熱負荷計算數值平均值偏差8.3%左右。

由下圖可知，整個供暖期室外日均溫度波動較大，但運行負荷相對平穩，地熱站用戶側運行負荷與室外溫度間存在相關性。經計算，用戶側供暖期最大運行負荷4914kW，與設計峰值負荷5222kW差308kW，供暖期平均熱負荷3780kW，平均熱指標54.3W/m2, 供暖期總耗熱量約37206GJ，單位建筑面積耗熱量數值0.53GJ·m-2·a。民用建筑能耗標準河北省（省會城市）建筑耗熱量指標約束值為0.23GJ·m-2·a。由此可見，本項目農宅冬季供暖耗熱量指標是河北省標準2.3倍。

圖2 地熱站冬季逐日運行負荷

2.2 地熱站冬季用戶側及水源側運行水溫

圖3 地熱站冬季逐日運行負荷

由上圖可知，供暖期內地熱站用戶側供暖運行供回水溫度比較穩定，供水溫度平均值51.4℃，回水溫度平均值42℃，供回水溫差平均值9.4℃。水源側供水溫度穩定，始終保持在72℃，回水溫度略有波動，回水最低溫度46℃，供暖期回水平均溫度49.13℃，沒有出現設計工況地熱回水42℃工況。

圖4 用戶側運行供回水溫差在不同區間占比

圖5 水源側運行供回水溫差在不同區間占比

由上圖可知，用戶側供回水溫差ΔT≤7℃數量占比3%，溫差7℃＜ΔT≤9℃數量占比23%，溫差9℃＜ΔT≤11℃數量占比74%，溫差11℃＜ΔT≤13℃和13℃＜ΔT≤15℃數量占比0%。供暖期用戶側溫差集中7～11℃，沒有實現設計溫差15℃運行工況。水源側供回水溫差ΔT≤20℃數量占比4%，溫差20℃＜ΔT≤22℃數量占比31%，溫差22℃＜ΔT≤24℃數量占比24%，溫差24℃＜ΔT≤26℃數量占比41%，溫差26℃＜ΔT≤28℃數量占比0%。供暖期水源側溫差集中在20～26℃，沒有實現設計溫差28℃運行要求。

2.3 地熱站用戶側及水源側循環泵流量及頻率

圖6 地熱站用戶側及水源側水泵運行流量

圖7 水源側運行供回水溫差在不同區間占比

由上圖可知，供暖期內地熱站用戶側循環水泵流量及頻率比較穩定，水泵變頻運行隨外界氣溫變化有一定規律性。供暖初末期室外氣溫高，水泵頻率降低，水泵流量減少，節能運行。供暖中期水泵基本保持不變。用戶側水泵頻率數值變化范圍44～50Hz，流量變化范圍290～400m3·h-1，用戶側循環泵平均流量358m3·h-1。水源側水泵頻率數值變化范圍45～50Hz，流量變化范圍110～159m3·h-1，水源側取水泵平均流量135.7m3·h-1。水泵設計選型均滿足實際運行需求。

2.4 地熱站用戶側及水源側循環泵運行耗電量

圖8 地熱站用戶側及水源側水泵運行功率及站房電表總計數

由上圖可知，地熱站用戶側循環泵與水源側取水泵供暖初末期運行功率低，供暖中期運行功率高，與機房內電表總耗電量變化規律一致。供暖期水源側取水泵及用戶側循環泵電耗為451652kWh，單位供暖面積水泵耗電量指標為6.5kWh·m-2。供暖期機房電表總耗電量計數為501402kWh，單位供暖面積總用電量指標為7.2kWh·m-2。

3 供熱系統熱量調節法

本項目地熱換熱站實際運行時采用根據室外天氣情況手動調節水泵頻率，保證用戶側供水溫度及流量趨近設計值。當熱用戶室內滿足14～16℃設計溫度要求且沒有用戶投訴情況下，一般不再調節水泵頻率。此種依據管理人員經驗的調節方法，難以實現準確的供暖節能運行方式。

熱量調節法是通過熱量檢測裝置根據用戶的要求直接控制供熱負荷和供熱量，系統的循環水量要視管網地水力失調程度而定，通常不小于設計流量的70%.而熱媒溫度是隨供暖系統熱平衡關系自然形成的現象，不必人為控制[5]。

根據本項目地熱站運行情況，擬采用根據室外溫度、日供暖負荷、日累計耗熱量以及系統用戶參考供回水溫度的方法，指導管理人員計量供熱，按需調節。設定當室外日均溫度T＞0℃時，用戶側水泵按照設計流量70%運行，當室外日均溫度-3℃≤T≤-0℃時，用戶側循環水泵按照設計流量80%運行，當室外日均溫度T＜-3℃時，用戶側循環水泵按照設計流量100%運行。水源側取水泵按照負荷需求及供水70℃，回灌42℃運行要求變流量運行。相關計算結果整理如下：

由上圖9可知，根據建筑圍護結構傳熱基本原理Q熱=KxFx(tn-tw)，當室內溫度tn保持不變時，供暖熱負荷隨室外溫度tw降低而增大。由上圖10可知，當熱負荷確定，系統連續穩定運行時，供回水溫度就可以確定，根據此供回水溫度調節運行，室內溫度就可以達到設計值。由下圖11可知，當采用分階段變流量熱量調節法運行時，地熱站水泵耗電量與室外溫度出現理論關聯性，即室外溫度高時，水泵耗電量小。通過計算，供暖期水泵總電耗為344268kWh，單位面積水泵耗電量4.9kWh·m-2。與人工經驗調節供暖方式相比，可節電25%左右。

圖9 不同室外溫度下的熱負荷及日累計耗熱量

圖10 不同室外溫度下用戶側供回水溫度

圖11 不同室外溫度下水源側及用戶側水泵功率累加日均值

4 結論

本文借助河北某農村地熱站冬季供暖項目，采用測試數據分析及相關理論計算的方法，對地熱站水源側及用戶側供暖運行溫度，溫差、流量等進行分析，以判斷供熱系統運行策略及運行能耗。運用集中供熱系統熱量調節理論，對地熱站供暖運行方式進行優化，考慮不同室外溫度供熱系統的運行負荷、運行水溫及水泵耗電量，得出如下結論：

(1) 由于本項目圍護結構保溫性能較差，項目供暖期總耗熱量為37206GJ，單位建筑面積耗熱量為0.53GJ·m-2·a，其數值是用建筑能耗標準河北省（省會城市）建筑耗熱量指標約束值2.3倍。

(2) 項目供暖初末期雖然根據管理人員經驗進行了水泵變頻調節，但從運行數據上可以發現，水源側取水泵及用戶側循環泵變頻運行與室外溫度的關聯性較弱，耗電量較大，均沒有達到設計工況下的小流量大溫差節能運行模式。

(3) 當采用分階段變流量的熱量調節法優化運行時，地熱站水泵耗電量與室外溫度理論上關聯性較強，即室外溫度高時，機房水泵耗電量小。與原先管理人員人工經驗調節供暖方式相比，可節約25%左右運行耗電量。