1、地热供暖梯级利用系统设计2008 年 9 月河北工程技术高等专科学校第 3 期 JOURNALOFHEBEIENGINEERINGANDTECHNICALCOLLEGESep.2008NO.3文章编号:10083782(2008)03 0019 一 O4地热供暖梯级利用系统设计范峰,田继民(1.沧州方圆工程设计咨询有限公司,河北沧州 061001;2.中科能环技术(北京)有限公司,北京 100080)摘要:利用一种整体性能非常好的地热水能量梯级利用的热泵串联系统方案 ,达到充分利用地热水能源的目的.关键词:地热;节能;系统设计中图分类号:TU833 文献标识码:A建筑节能是世界各国建筑界实施可
2、持续发展战略的一个关键环节.在我国,建筑节能已经被列为贯彻可持续发展战略,“十一五“ 规划的重点 .目前我国能源, 环境的压力非常大,对可再生能源建筑利用,被提到了议事日程.地热水是自然恩赐给人类的一种清洁的,低品位的资源,随着我国建设节约型社会,政令的推行,能源价格不断快速上涨,各地纷纷开发地热水利用的项目.在河北省的中东部,山东省沿海地区地热资源非常丰富,地热水的利用应推广到实际工程中去.1 工程概况某军区生产基地生活服务区,主要包括:a)目前已建成的并已经投人使用的13000rn 的四层住宅,5000rn 的别墅,3800rn 的商品楼一区和 7600rn 的商品楼二区,总计建筑面积为3
3、3200rn,采暖方式为散热器采暖;b)在建住宅一区五层带车库,建筑面积 23000rn,拟建住宅二区五层带车库,建筑面积37000rn,规划四层带车库的复式住宅 17000rn,合计总建筑面积 77000rn,所采用的采暖方式为低温地板辐射采暖;c)规划的四层建筑面积为 4000rn.的小区公共设施 ,采暖方式为散热器采暖;d)规划的七层7000rn 的办公楼和九层 8000rn 的宾馆,拟用的采暖方式为集中空调系统.2 供暖设计2.1 室内外设计参数该生活服务区属于鲁西北黄泛平原东北端,黄河人海口附近,属温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,主导风向为西北.其主要气象资料如下:平均气压,10
4、1.6kPa;冬季年平均气温,一0.1;累年极端最低气温,一 13.o;累年最冷月平均气温,一 2.1;采暖期平均风速,3.1m/s;采暖室外计算温度,一 9:建筑物室内采暖设计温度,不小于 18.地热井单井水量 80rn.5rn.,井水温度 852.2.2 供暖负荷计算依据采暖通风与空气调节设计规范,供热通风与空气调节设计手册,低温地板辐射采暖技术规程对本小区的供暖负荷进行计算,具体结果见表 1.2.3 供暖系统设计1)散热器采暖系统.已建成的建筑物原设计为锅炉房集中采暖,末端采用的是普通散热器,原系统的热媒设计参数为 95/70的热水,现改为利用地热井水作为热源 ,而末端的散热设备及室内管
5、网不可能进行收稿日期:20080513作者简介:范峰(1963 一), 男 ,河北沧州市人,沧州方圆工程设计咨询有限公司高级工程师.20 河北工程技术高等专科学校 2008表 1 供暖设计热负荷计算变更,在此条件下,来确定利用地热井作为热源时的供暖参数.为此,要在室内散热器数量不变的条件下,保证原设计的室温,须增大的散热器系统的流量.结合本项目地热井的实际出水温度和水量,通过计算可知在10C 温差的条件下,供水温度为 60C 即可满足原设计的要求,小区采用连续供暖的方式,因此对于散热器采暖系统的热媒选用 6o/5oC 的热水.2)低温地板辐射采暖系统.依据采暖通风与空气调节设计规范,低温地板辐
6、射采暖技术规程的要求和规定,低温地板辐射采暖的供水温度不应超过 60C,同时对于人员经常停留的地面的表面温度要求在 2426C,但不能超过 28C,对于目前所采用的地板辐射采暖的做法,通过计算知道,供水温度在 50C 的时候即可满足上述的地面温度要求,而且小区采用连续供暖的方式,因此本设计中对于低温地板辐射采暖系统的热媒选用 5o/4oC 的热水.3)集中空调采暖系统.依据采暖通风与空气调节设计规范及风机盘管的标准试验工况要求,本设计中对于风机盘管采暖系统的热媒选用 5o/45C 低温地板辐射采暖系统.2.4 供暖方案依据上述确定的热媒参数,结合地热井的实际运行参数,在地热资源的利用上,不仅要
7、考虑可利用热量的数量,同时更应该考虑对地热资源中热量品质的利用.本项目中的地热井的出水温度达到 85C2C,而对于散热器供暖系统来说,在增加流量的基础上.利用 6o/5oC 的热媒在连续供暖的条件下,即可满足室内采暖原设计的要求; 同时对于低温地板辐射采暖系统来讲选用 50/40C 的热水在连续供暖的条件下依然可以满足要求.因此在本系统的设计上,采用三级换热,第一级换热提供 6o/5oC 的热水,直接供已建成的散热器供暖系统; 第二级换热提供 50/40C 的热水,与热泵共同为地板辐射采暖,第三级换热提供 1530C 的热水,做为热泵的低位热源水.来自地热井的85C 的地热水通过这三级换热后.
8、降至 20C 左右排放.三级换热的具体参数见图 1.地热水进水(8地热水一级换地热水二级换地热水二级换地热水三级换排放的地热水散热器采暖系统供水(70.C)散热器采暖系统回水(60oC)低温地板辐射采暖系统供水(50.C)低温地板辐射采暖系统回水(40.C)热泵机组热源供水(20.C)热泵机组热源回水(10oC)图 1 热泵三级换热参数图通过以上三级换热的计算可知:地热井提供的 80m./h,85C 的水经过两级换热后,可以直接利用的热量为 3715kW,占可利用能量的 61.6.其中需要温度相对较高的散热器系统,直接利用了地热资源.而需要热泵补充的热量是温度要求较低的低温地板辐射采暖系统,这
9、样不仅可以大大提高了热泵机组的运行效率,也可以大大的降低地热水的排放温度.热泵机组需要提供的热量为 2270kW.2.5 供暖系统主要设备选型2.5.1 水源热泵主机根据上面的计算结果,选用一台某公司 FOCSwHH7204 型水源热泵机组,选用机组考虑了以下几方面第 3 期范峰等:地热供暖梯级利用系统设计 21要求.1)技术领先 .使用环保冷媒,有成功经验及正常的商业应用运行记录历史.2)设计科学 .体现高效节能,结构方便,紧凑,简捷.3)多回路设计.每个压缩机的制冷剂循环回路相互独立又相互备用,显着提高机组运行的灵活性和可靠性.4)电气控制可靠.主动开关与电控箱门连锁,保护维护和操作的安全
10、.防电流冲击和干扰.适用机组动态运行环境,避免了螺丝连接的松动和虚接情况发生.2.5.2 水处理设备1)除砂机 .考虑到地热水的含砂量及其他悬浮物较多,为了保证板换的换热效率并提高其使用寿命,本方案选用 sYs 一 100S/D 型旋流除砂机,它可以实现除砂,降浊,固液分离,液体除气等功能.同时还具有结构简单,成本低廉,易于安装和操作,几乎不需要维护的优点.2)全程水处理器.全程水处理器是针对各种水系统中的腐蚀,结垢,菌藻等水质问题,利用航空领域的高新技术成功地解决了原有电子水处理仪中存在的各频谱间互相制约和干扰的难题,特别是对于直流利用的地热水,可以实现综合优化处理.具有机电一体化的设计,物
11、理场方式处理,无需化学药剂,运行管理费用低的特点.根据本项目的处理水量,选用 SYS 一 15081.0JZ/BE 型一台.3)电子水处理仪.它是利用物理场射频技术来控制水垢晶核的产生,同时通过微共振作用松软,脱落管道内壁原有的垢层,属于利用物理的方法来达到防垢,除垢的目的,不能改变水质.因为电子水处理仪的射频场的影响范围有限,所以主要是应用在循环水系统上,并且水系统的工作半径不宜太大.对于本项目,在系统的循环水上选用了两台 HDGS 一 1.0 系列的电子水处理器.4)钠离子全自动软水器.钠离子水处理器是利用树脂中的阳离子来置换水中的钙,镁离子,使水中的钙,镁离子被吸附在树脂上,而树脂上的钠
12、离子进入水中,使原来含有钙,镁离子的硬水变成了含有钠离子的软水.而含有钙,镁离子的交换树脂可以利用钠盐溶液还原变成钠离子的树脂交换剂.因此利用钠离子水处理器,属于化学处理方法,它可以改变水中的钙镁离子浓度,达到水质软化的目的.所以在水的硬度比较高的条件下,系统的补水和循环水,都须使用通过软化后的水.本设计选用 HDZS.9500B型全自动软水器.3 地热一热泵供暖系统控制方案3.1 控制的基本原则由于系统比较复杂,要保证系统稳定,高效,合理,节能的运行,控制方案必须遵循如下原则:a)最大限度的利用地热资源,尽量节约辅助加热系统能量.在最大负荷变小时,优先减少辅助加热量;在负荷有很大减少后,逐级
13、关停热泵机组和地热井;在负荷较小时,关停了热泵机组后 ,地热井不能满足供热负荷需求时,再开启辅助加热系统.b)采用质和量并调的调节方式.c) 多参数,多工况判断切换不同的供暖工况.d) 地热井就地控制,监控数据远距离传输.e)井泵变频控制,根据负荷及尾水排放条件对水泵进行变频控制.f)采用模型预测控制及最小二乘优化算法,考虑气象预报,电价计费等因素,使得舒适度,运行成本两方面都达到最优化.g)采用室外温度补偿动态负荷调节,供暖温度再设定,既可保证住户室温的舒适性又可节省能源.3.2 供热负荷调节与控制3.2.1 散热器供暖系统负荷控制散热器系统由地热井板换直接负责供暖调节.通过测量低区散热器供
14、水温度,回水温度以及流量值计算出实际的热负荷.当散热器采暖热负荷百分比在 1oo35%范围内变化时,优先减小地热水进入一级板换的进水量,加大旁通量,当负荷百分比在 350 范围内变化时,利用变频器控制地热井水泵的转速,减小地热水量.整小区的散热器供暖由一级板换负责调节.3.2.2 地板辐射采暖系统地板辐射采暖是利用二级板换换热和热泵机组共同工作来完成的,其中热泵机组是利用一,二级换热后22 河北工程技术高等专科学校 2008的地热尾水作为低位热源,来实现地热资源梯级利用.负荷百分比在不同的阶段分别投入不同的机组和热交换组合.当负荷百分比在 IO04O 范围内变化时,开启热泵机组; 当负荷百分比
15、在4O0 范围内变化时,热泵停止运行,由地热二级板换自动调节供热量.在负荷变化百分比的两个不同区域内,每个区域内负荷变化的调节方式为:当负荷需求为最大时,热泵机组,地热井一起负责供热;当负荷变化时优先调节热泵机组 ,依靠由热泵机组自身的调节功能(增减机头)来实现控制;当负荷减少量大到需要停止全部热泵机组时 ,关闭热泵机组及附属泵,并适当调小地热井潜水泵变频器值,以保证地热水供水量满足要求.当室外温度较高,或者其他系统负荷降低,经过一级二级换热后的地热水温度较高,不需要热泵进行提升就能满足地板采暖的要求,这时应关闭热泵两侧阀门,打开旁通阀直接进行热交换,达到节能目的.3.2.3 质调节与量调节在
16、供暖系统二次侧环路,采用分阶段变流量的量调节方式,在不同的供暖负荷需求期,改变供热循环水量以适应负荷的变化,同时辅以变供水温度的质调节方式,对于室外温度高于某一值,热负荷需求较小的供暖时期,不采用变流量的量调节方式,而采用变供水温度的质调节方式,供暖流量设定为保证供暖系统稳定运行的流量值,这样可以保证在整个供暖周期内系统平稳的运行.4 结语地热水资源不是无限的,如何既充分利用地热中的能量,同时又和环境保持友好,和谐,乃是业界一个重要的任务,高效的地热水梯级利用系统应推广到实际的工程中.中国有相当多的地区具备地热资源和市场条件,而且情况还在变化和向前迅速发展,机会众多,经济和环境利益均好,暖通工
17、程师应为美好的供暖方式做出贡献.参考文献1曹琦.地热水能量梯级利用系统性能分析J.制冷空调与电力机械,2007,(6):1-4.E2范峰.地热水能在建筑物中的综合利用J.河北工程技术高等专科学校,2008,(2):5-7.3高桂芝,田继民 ,等.水源热泵在住宅小区热水供应系统中的应用J.中国住宅设施,2006,(1):61 63.DesignonGeothermalHeatingCascadeUtilizationSystemFANFeng,TIANJirain(1.CangzhouFangyuanEngineeringDesignandConsultationLimitedCompany,C
18、angzhou061001,China;2.ZhongkeEnergyandEnvironmentTechnologyLimitedCompany,Beijing100080,China)Abstract:Applyingacombinedheatpumpsystemwithgoodperformanceinwhichthegeothermalenergyisgraduallyutilized,canachievethegoaloftakingfulluseofgeothermalenergy.Keywords:geothermal;energysaving;systemdesign(责任编辑: 高桂芝)
