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水源热泵在北京地热供暖设计中的若干问题探讨摘要： 介绍了北京市某住宅小区利用地热热泵供暖、温泉洗浴的工程概况，对方案设计过程中遇到的若干问题进行了深入地探讨与分析。关键词： 地热 热泵供暖1 引言北京存在着丰富的地热资源，但长期以来，在北京市的一次能源结构中，煤炭一直占据着主导地位，以煤为主的能源结构，是造成大气严重污染的根源之一。目前北京是世界上大气污染最为严重的十大城市之一。根据中央和市政府对北京市环境目标的要求以及申奥报告中对环境质量的承诺，到2008年市区大气环境质量要达到世界卫生组织的指导值或发达国家大城市的平均水平。为了贯彻“绿色奥运、科技奥运”的口号，在清洁能源建设项目中，北京市政府已将地热利用纳入规划。北京的地热利用已有数百年的历史，但主要利用在工业、种植、洗浴等方面，地热供暖应用较少。进入90年代后，一些单位开始采用地热供暖，但利用形式主要是直供直排，特点是系统简单、投资少，但尾水排放温度高，供暖面积小，地热资源利用率低。因此，如何提高地热资源的利用率，降低排放温度是地热利用中急需解决的问题。水源热泵的梯级利用技术可以有效的解决上述存在的问题。本文针对北京市某住宅小区采用的地热热泵供暖系统，对水源热泵梯级利用技术及方案设计中遇到的若干问题进行分析。2 工程概况及设计方案概述 工程概况 该住宅小区总建筑面积约40万m2，其中住宅万m2，配套用房约万m2，是国内利用地热供暖最大的小区。小区内计划打5口井，其中2口抽水井、2口回灌井、1口备用井。地热水的出水温度为68，产水量为150m3/h。另外，小区内地热水水质经鉴定，已初步确定为氟、偏硅酸盐型淡温泉水，具有医疗矿泉功能，可供住户洗浴用。在上述地热资源开采量的前提下，地热量还不能满足40万m2的供暖需求，还需另设辅助热源，满足峰值需要。小区内设有集中燃气锅炉房一座，可向小区提供110/65的高温水。 地热热泵供热系统的设计方案概述 地热资源的利用原则是取热不取水，否则如果地热水长期不能回灌到地下，一是造成水资源缺乏、地面沉降；二是地热不能及时的得到补充，出水温度降低，供热质量下降。但是地热尾水的温度应该为多少，是一个值得争议的问题。尾水温度过高，造成地热资源不能充分的利用，温度过低，不利于地热资源的恢复。应地热资源管理处的要求，建议回灌温度为1525。在本设计中，地热利用的指导思想是：实现地热资源的梯级利用，最大限度地利用已有地热资源；利用热泵机组，充分利用45以下温度段的低品位热量，合理降低尾水排放温度；尽量减少辅助调峰加热量；在确保系统稳定性的前提下，尽可能采用量调节，以降低输配电耗。采暖系统根据系统承压和供暖方式的不同分为三个系统，即住宅高区、低区热水地板辐射采暖系统及配套裙房的散热器采暖系统。其中，配套低层裙房散热器采暖系统直接利用一级地热和燃气锅炉房的辅助热能，住宅高区热水地板辐射采暖系统直接采用二级地热和燃气锅炉房的辅助热能，低区地板辐射采暖系统间接采用一级、二级地热的尾水，结合热泵，另外再采用燃气锅炉房的辅助热能。经过上述几级地热利用后，地热尾水和一部分原水经过水处理设备、板换加热后供用户洗浴。夏季，由于系统没有供热负荷，地热水直接经过增压泵进入水处理设备，供用户洗浴。具体流程如图1：3 方案设计中的若干问题第一、二级参数的确定第一、二级参数的确定考虑到地热资源按相同比例分配的原则、板式换热器选型的可行性及地热-热泵系统的经济性。 地热水一级温降对板换选型的影响表1 地热水进水温度地热水出水温度对数平均温差板换面积台数参考价6860175600686217980068651164900由表1可见，地热水出水温度为60与62对板换选型的影响不大，但对下一级的地热利用来说，地热水出水温度为62的方案要优于60。地热水出水温度为65与62对板换选型的影响很大，换热面积和价格巨增。经综合考虑，本方案确定地热水一级出水温度为62。第二级参数的确定原则同上，地热水经过二级换热后，温度降为45。地热水第三、四、五级参数的确定45的地热水只有升温后才能满足需要，根据热泵机组蒸发器侧出水温度不能高于20，供回水温降不宜大于10的要求。按同型号选用三级热泵，经热平衡计算，确定热泵蒸发器侧进出水参数，进而确定每级地热水参数。地热水第三、四、五级温降分别为，。系统的调节与控制地热是非常珍贵的自然资源，应充分加以利用，以实现资源量的合理分配。考虑到调节的要求，在设计时按照三个不同系统的地热资源量占本系统的负荷百分比基本相同来设计。因为负荷的变化基本上是同步的，这样设计，可以有利于同步调节。为了便于负荷调节与控制，设计中在每级地热板换一次侧均设了旁通，目的是在负荷降低时，可以让上一级多余的流量旁通到下一级，同时，保证总流量恒定。地热水一次侧控制地热水一次侧控制的重点是：既要保证地热水的总流量恒定，又要保证板换二次侧的出水温度。1.板换前设电动阀门V2假设可以省略，计算一下当旁通阀门V1开启时，通过板换的流量G2占总流量G总的百分数。地热水流量为150m3/h，假设阀门口径为200mm时，通过阀门的特性曲线，查得压降为根据公式：SG2 =PS计算管段的阻力数，Pa/(m3/h)2；G计算管段的流量，m3/h；P计算管段的压降，Pa。得，S11502=240已知150m3/h的流体通过板换的压降为48 KPa，同样可以求得S2S21502=48000/，得S1/S2=24/4800当系统正常运行时，存在如下关系S1G12=P1S2G22=P2P1P2由，得，把代入上式，经整理得，当旁通管阀门口径变化时，通过板换的流量G2占总流量G总的百分数如表2。G2占总流量G总的百分数表2阀门口径(mm)2001501251008065G2/G总(%)由上面的计算可以看出：在板换前不加电动阀V2的情况下，从板换处旁通的流量比较大，所以电动阀门V2必须要设。另外，如果只有一个电动阀门V1来调节，势必影响地热水的流量。2.电动阀门V1和V2的控制为了保证地热水的流量恒定，具体的控制原则根据板换二次侧出水温度T1控制电动阀门V2的开度。根据电动阀门V2的开度查阀门特性曲线，可以得到通过电动阀门V2的流量百分数Q2。在保证流量不变的前提下，通过电动阀门V1的流量百分数为100Q2，再根据阀门的特性曲线，反查电动阀门V1的开度。3.旁通管上设平衡阀V3旁通管所在的管路与板换所在的管路并联，因此，两个管路上的压降必须相等，根据此条件，所选电动阀门V1的口径近似为65mm，而此时水流通过电动阀门V1的流速为/s，这样大的流速对电动阀门V1不安全。另外，通过计算电动阀门V1的流通能力，得电动阀门V1的口径为125mm，口径为125mm的电动阀门V1，在流量全部通过时，压降为，不能满足压力平衡，必须要加平衡阀V3来平衡管路的阻力。热泵机组蒸发器与冷凝器之间增设旁通管热源的容量是在设计工况下配备的，其容量都大于实际运行工况下所需的，所以，在设计时，要考虑调节、节能的措施。在室外温度升高的情况下，地板辐射采暖系统不需要采用50/40的供回水温度即能满足室内舒适度的要求，并且由于其它系统负荷的降低，地热水一次侧温度经过一、二级板换后，温度升高。此时不必启动一级热泵，即能满足室内舒适度的要求。同样，二级热泵也会存在上述情况。经过一、二级热泵后，热水温度已经降低到不能满足地板辐射供暖系统的设计要求，所以三级热泵的蒸发器与冷凝器之间不需再设旁通管。另外，为了保证进入热泵机组的水流量是恒定的，在总供、回水管之间设了旁通，并且在每个机组冷凝器侧的回路上设了动态定流量阀。4结束语地热是宝贵的自然资源，必须珍惜利用。如何最大限度地利用已有地热资源是地热供暖设计的关键。设计中应对每一个环节，尤其是地热水一次侧参数、设备的选定及系统的控制，进行方案论证，选择最优。工艺设计要为系统控制提供基础资料，是控制成功的关键。参考文献1陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1993.陆耀庆.供暖通风设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1987.贺平等. 供热工程. 北京:中国建筑工业出版社,1993.