利用深井地热水作为辅助热源的水源热泵系统节能分析

摘要　　本文介绍了北京工业大学进行深井地热供暖示范工程项目和地热能梯级利用技术研究两个项目的中试工程综合情况。文中介绍了为本校经管学院楼中2000平米办公区地热供暖（兼制冷）中试工程系统概况，利用深井地热时热泵的选择及热泵的COP值，系统设计时的考虑因素，动态实验，地热利用开式系统的运行总效率η，地热利用率ξ之间的关系等。

关键词　　深井地热 梯级利用 水源热泵 建筑物采暖

一、概述
　　
　　深井地热水在世界上的广泛应用有很长的历史。美国西部的深井地热区，井深300-400米左右，即可开凿出80-90℃的地热水，从地下环境保护的角度来考虑，美国各州有不同的政策，但总的不主张使用开式系统，如果使用，严格要求同层回灌。法国的低焓能含水层热水热不温在50℃以上，井深由几百米至1000-2000米不等，其应用实现了梯级利用，并且严格实行"对井"制，即一个生产井，一个回灌井。巴黎盆地的地下水位，20年来，基本上维持水位不降，是很了不起的成就。波兰持下含水层热储的水温为30-130℃之间，并采用了多种利用技术。我国地热水供暖有较长历史的应必天津和塘沽地区，但其尾水温度较高，近几年来，天津采用先进技术，严格实行"对井"制，使地下水位逐渐回升。
　　北京是世界上为数不多的，有深井地热水资源的首都之一。过去30年来，共开凿了深井地热水井200口左右，130多口井在正常使用。由于多数地热井水温在40-60℃之间，限于合理利用的温泉别墅。很少的几例用于地热直接供暖。1999年，在北京城南发现深度3800米处的88℃的地热水。申办2008年奥运会以来，北京有关部门进行了全面的物探，发现了三大块地热田，水温达70-80℃，井深达3500米左右。北京的深井地热水位每年下降2米，从可持续发展的角度，考虑深井地热水的利用技术和回灌技术至关重要。
　　
二、中试工程的建筑物及负荷特点
　　
　　1．建筑特点：该楼为原有建筑物。办公和实验室部分为2000平方米的五层建筑，周围有与之相连的两层教室共10000平米。中间有20米高的玻璃拱顶中厅，周围八个外门，供疏散用。由于"烟窗效应"，冬季室外的冷风通过常开的东大门大量灌入室内，致使大厅温度6℃左右，周围五层房间的内墙变成了散热的外墙。加上各办公室单层的大玻璃窗有冷风渗透，还限于施工时的经济状况，外墙保温作了简化处理，致使冬季室温在13℃左右。
　　2．负荷特点：经计算冬季采暖设计负荷约为120W/m²。由于是办公楼，每日工作时间为8：00-20：00。夜间及周末或节假日，室温只需维持10℃。热负荷比冷热负荷小。
　　
三、中试工程系统设计方案考虑
　　
　　1．回灌水温度和回灌水量的考虑：本校地热回灌井井深2000米，比生产井深400米。对于允许的回灌量，回灌温度，对热储的影响，需要相当长的时间实验认定。因此，一方面要尽量使用地热水的热能，维持到一定的尾水温度比如20℃以下峰值负荷时，可以尝试短时间到10℃左右，观察其长期影响。另一方面，在非峰值负荷时，也要减少抽取地下的热水量，不使大量热水在较高温度下回灌，比如：尽量避免25℃以上的水温回灌。
　　
　　2．对地热水利用率ξ的考虑：回灌温度直接影响到地热能的利用率。因为地热能的能量，目前是依地热水温度降至当地全年室外平均温度作为基准计算的。深层地热水的抽出不仅消耗潜水泵的能量，蕴藏着被污染的可能，还涉及未知的回灌井的工作状况。
　　
　　3．对地热水直接利用级的考虑：本校共有地热生产井两口，生产井的水温均在52℃左右，两口井的出水量均大于或等于70m³/hr。52℃左右的地热水，经过板式换热器后，循环水可达50℃左右，直接利用级采用的是风机盘管机组，其消耗的功
率，仅为循环水泵的功率。
　　
　　4．对峰值负荷的考虑：由于北京的多数建筑，制冷负荷大于采暖负荷，可以以部分热泵兼作为峰值热负荷。区域锅炉房提供的热源，也可以做峰值热源用。
　　
　　5．对使用热泵的考虑：选择水源侧能耐受进口水温（ESWT）为30-35℃地热水的热泵，使之具有较高的热力循环COP值。按照ARI-320标准，水源热泵供热工况下，水源侧进口水温控为21℃，按照ARI-325标准为10℃及21℃。因此，一般厂家不提供能耐受ESWT为30-35℃的热泵。选择了美国ClimateMaster Inc的GSW-120型水-水热泵。厂家建议使用中ESWT不超过35℃。后来运行证明性能良好，特性曲线由研究提供见图1，2，3，4。
　 　　　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　图1　热泵COP与水源侧出水温LSWT（℃ ）
　　 　　　　　　　　　　
　 　　　　　　　　　　 　　　　　　图2　热泵COP与负荷侧出水温LSWT（℃ ）
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　图3 深井地热水水源侧进水温与制热量关系（水源侧进水温=32.2℃，负荷侧流率1.69L/S）
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　热泵不源侧水量与水温降关系

四、中试工程使用的系统及仪表
　　
　　综合以上考虑，本中试系统如图5所示。测试使用的仪器的不确定度：见表一
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　1-生产井2-回灌井3-水处理设备4-板式换热器
　　　　　　　　　　5，6-地热直接利用极7-地热作为辅助热源的间接利用级8-终端采暖和制冷设备
　　　　　　　　　T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T1，T11，T12，T13，T32，T39--温度传感器
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 中试工程实验系统及仪器
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　直接测试参数和计算参数的不确定度　　表一 基本参数 计算参数 水温 水温差 空气温度 水流量 输入电功率 制热量 热力循环特性系数 总效率 T ΔT T W N Q COP η （℃） （℃） （℃） （m3/hr） (KW) (KW) 1 1 ±1% ±2% ±2% ±2% ±2% ±3.8% ±3.8% ±3.8%

五、运行效果及系统评价
　　
　　1．运行效果：地热水经过板换热后，直接供暖及热泵间接供暖的建筑物，冬暖夏凉。大厅16℃左右，温度梯度合理。室温由用户自行控制，部分由计算机网张控制，一般在22℃左右。凡是有计算机网络控制的房间，室温都比较合理，在夜间不供暖时室温降至12℃-16℃左右。动态测试一个半冬季，用户满意。
　　
　　2．系统评价：
　　主要计算公式：
　　　　　　　　　COP=Q₁/N₁　　　　　　　　　　　　　 　 　（1）
　　　　　　　　　η=∑Q/∑N 　　　　　　　　　　　　　　　（2）
　　　　　　　　　ξ=（T₀₁-T₀₂）/（T₀₁-T_ave）　　　　　　　（3）
　　式中：
　　　　　　　　　∑Q = Q₁ Q₂ 　　　　　　　　　　　　　　（4）
　　　　　　　　　Q₁=W₂（T₄-T₅） 　　　　　　　　　　　　　（5）
　　　　　　　　　Q₂=W₁（T₁-T₂） 　　　　　　　　　　　　　（6）
　　　　　　　　　∑N= N₁ N₂ N₃ N₄ N_{5> N6} 　　　　　　（7）
　　
　　式中符号：

　　COP--热泵热力循环特性系数 　　T01--地热流体供水温度（℃ ） 　　N1--热泵输入功率（KW） 　　T02--地热流体回灌水温度（℃ ） 　　N2--潜水泵输入功率（KW） 　　T1--热泵水源侧进水温度（℃ ） 　　N3--地热水管道泵输入功率（KW） 　　T2--热泵水源侧出水温度（℃ ） 　　N4--水源侧循环水泵输入功率（KW） 　　T4--负荷侧回水温度（℃ ） 　　N5--级负荷水泵输入功率（KW） 　　T5--负荷侧出水温度（℃ ） 　　N6--级负荷水泵输入功率（KW） 　　Tave--年平均空气干球温度（℃ ） 　　Q1--热泵制热量（KW） 　　W0--地热流体的流量（Kg/S） 　　Q2--直接利用级的散热量（KW） 　　W1--水源侧水流量（Kg/S） 　　∑Q--系统散热量总和（KW） 　　W2--负荷侧水流量（Kg/S） 　　∑N--系统输入电功率的总和（KW） 　　ξ--地热流体热能利用率 　　η--地热供暖系统的总效率 　

　　3 系统总效率η：实验结果如图6所示
　　地热水尾水温度T₀₂（℃ ）越低，系统总效率η越低。热泵的COP也越低。
　　负荷侧供水温度越低，系统总效率η及热泵的热力循环总效率COP也虎高
　　
　　4 地热水热能利用率ξ：实验结果如图7所示。不采用过大的ξ值，总效率η会有所提高。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　图6　不同运行条件下总效率η与地热水回灌温度T02（℃ ）之间的关系
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图7　不同条件下地热水的利用系数ξ及系统总效率η
　　
六 结论
　　
　　1．系统总效率η与地热水利用率ξ可以作为地热供暖系统评价的标准之一。本系统的值可达5～9。相应ξ可达0.9～0.7。
　　2．深井地热水包含了热，矿，水三种成分，除冬季供暖外，另外三季皆可用来供生活热水和其他综合利用。因此与其他源热系统没有直接可比性。