1、地热供暖技术应用探讨山东省建筑设计研究院 任照峰 于晓明摘 要： 本文介绍了地热在我国供热领域的应用情况，探讨了利用高温水源热泵对地热尾水进行温度提升进行供暖的可行性及经济性问题，得出了利用高温水源热泵+地热尾水供暖可以有效解决地热利用中的环境污染问题、有效提高地 热热水的利用效率、 节省供 热运行费用等结论。关键词：地热、高温水源热泵、供暖技术1 地热在国内的应用概况改革开放后，随着经济社会快速发展，我国能源消费迅速增长，2005 年，能源消费总量达 22.25亿吨标准煤，是世界第二大能源消费国。在能源消费结构中，建筑能耗占到了总能耗的 30%以上，其中采暖、空调能耗占到了建筑能耗的 55%
2、。国家能源紧张状况短期内，短期内不会明显得到改善。在国家能源紧缺的情况下，地热资源作为可再生的绿色清洁能源已经显示出了巨大的潜力，逐渐应用于发电、供暖、医疗保健、洗浴和旅游度假、养殖、农业温室种植和灌溉、工业生产、矿泉水生产等广泛的领域，中低温地热资源开发利用还引发了围绕房地产开发、旅游业等的地热开发热潮。目前国际上有一百多个国家在开发利用地热资源，并以 12%的速度递增，能源专家普遍预计到2100 年地热利用将在世界能源总值中占 30%-80%。在我国，已发现的地热区有 3200 多处，地热可采储量约相当于 4626.5 亿吨标煤。近几年我国地热开采利用量每年以 7%的速度增长。截止到 20
3、05 年，我国直接利用地热资源的热能为 12604.6GWH，居世界首位。我国利用地热资源的方式主要是高温地热发电和中低温地热直接利用。在我国西藏已建成 3 座地热电站，在华北、东北、西北地区，北京天津西安鞍山等大中城市的地热采暖已取得良好的经济效益和环境效益。在地热供暖方面，冰岛开发利用得最早最好。该国早在 1928 年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取 7740t80的热水，供全市 11 万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市” 。我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速，在京津地区已成为地
4、热利用中最普遍的方式。据了解，截至2005 年底，天津市地热供暖面积已达 1000 万平米，占全国地热供暖面积的 50%，北京地热供暖面积也达到 120 万平米。随着越来越多的地热供暖项目的开发利用，也暴露出地热利用中的一些问题。第一，地热供暖后直接排放，排放温度高（30） ，地热利用率低，造成资源浪费。第二，地热供暖系统腐蚀、结垢问题严重，结垢物质主要有氧化铁、硫酸钙、碳酸钙和硫酸盐等。第三，地热供暖后的尾水没有回灌，直接排放造成当地土壤环境污染（包括砷、汞、氟等有害元素污染及热污染） ，引起地面下沉，影响地下结构的稳定性。针对地热利用中出现的问题，为了进一步规范地热资源开发利用行为，切实提
5、高地热资源开发利用的技术水平，提高地热回灌率，有效保护地热资源，天津市于 2006 年 11 月率先颁布了地热利用工程设计标准（试行），定于 2006 年 12 月 1 日起实施。2 地热热泵在供暖中的利用为了解决地热利用中出现的许多问题，对地热的合理开采、综合利用是一个大的方向。首先，在地热用于供暖时，需进行方案分析比较，根据地热热水的温度、流量，需要负担的建筑供暖负荷，确定是全部采用地热水（或经过换热器换热供暖，下同） ，还是需要设置部分地热热泵机组，负担部分建筑供暖负荷；是否需要进行水处理，供应生活热水或其他用途；是否需要设回灌井进行地热水回灌。根据工程的实际应用，对地热水供暖的综合利用
6、方案一般有下述三种：其一，地热井开采的地热水流量和温度，在直接供暖的情况下能满足所负担的建筑供暖负荷，又无其他用途可用，则对供暖尾水直接回灌。其二，地热井开采的地热水流量和温度，在直接供暖的情况下能满足所负担的建筑供暖负荷，且需要地热水作为其他用途，如生活热水、洗浴、温泉等，则供暖尾水经除铁除锰等水处理，达到应用标准，然后利用。其三，地热井开采的地热水流量和温度，在直接供暖的情况下不能满足所负担的建筑供暖负荷，则地热直接供暖(如果地热水水温较高，可以两级供暖串接，前一级用散热器供暖，后一级用地板辐射采暖)后的尾水（30-40）用地热热泵的热源水，由地热热泵机组提供满足供暖需要的热媒水(60-7
7、0)，用于地板辐射供暖或散热器供暖。前两种情况相对简单，本文不作详细论述，重点讨论一下第三种情况的应用。水源热泵本身已有几十年的发展历史，尤其是在美国，发展比较迅速。目前美国已安装了 4050万台，而且每年以 10的速度增长。但是就地热热泵来说， 还处于发展阶段，尚未大规模应用。其中主要问题，不是系统技术问题，主要是热泵本身的技术问题。按照美国水源热泵ARI-320 标准，水源热泵供热工况下，水源侧进口水温控为 21。按照美国地下水源热泵ARI-325 标准，水源热泵供热工况下，水源侧进口水温为 10及 21。因此，一般生产厂家不能提供能水源侧耐受温度达到 30-35左右的热泵。如果生产这种需
8、要大幅提高水源侧耐受温度的水源热泵，则需要重新研究开发。幸运的是，某些国内外厂家已经因应这种需求，对这种水源侧耐高温的地源热泵进行了研究开发，并生产出了满足需要的产品，如某些公司已经开发生产了这种热泵机组，其水源侧耐受温度为3560高温。在解决了利用地热热泵供暖的技术问题后，下面需要解决的就是利用地热热泵+地热供暖尾水供暖的经济性问题。3 地热热泵利用地热供暖尾水供暖的经济性分析为了方便起见，结合某具体工程对地热热泵利用地热供暖尾水供暖的经济性进行分析。某单位住宅项目，位于山东某市，总建筑面积约 90000 平米，一期 40000 平米，二期 50000 平米,总建筑热负荷为 360 万 kc
9、al/h。现探明一眼地热井，流量 100m3/h，水温 69。如果利用地热直接供暖（或通过换热器换热） ，则可以利用的热量(供暖回水温度按 50考虑，如果回水温度过低，需要更多地散热器，增加设备投资)：100x1000x(69-50)=1900,000kcal/h，可以负担 45000 平米左右供暖，仅能满足一期工程需要。二期工程则需要利用市政管网，或设置燃油或燃气锅炉房进行供暖。如果利用地热直接供暖+地热热泵供暖的方式，则可以利用的最大热量（地热尾水按10考虑）10100x1000x(69-10)=5900,000kcal/h，最大可以负担 140000 平米的供暖，完全可以满足供暖的需要。
10、下面对这两种方案进行经济分析比较。同时为了对照城市集中供热，将采用集中供热作为一个方案。在进行分析比较时，采用的数据如下：当地非居民照明用电电价 0.70 元/(kw.h)，天然气价格 3元/m 3。冬季供暖按 4 个月考虑，每天运行 16 小时，平均负荷系数取 0.7。在当地，水温大于 60，小于 70 的地热水，收取地热资源费 1.5 元/ m 3。方案一：地热水通过换热器换热，向供暖系统提供 65/45供暖热水供暖，地热水经过换热器进行热交换后的地热尾水直接回灌；供暖不足部分由燃气热水机组提供。地热井的建设，属于前期投资，因地质条件及井深不同，投资也不同，大致按 60150 元/m。在本
11、工程中地热井及井口设备投资共计200 万。首先设置一台水-水钛板换热器，换热量 190 万 kcal/h，一次水（地热水）供回水温度69/50，二次水（热媒水）供回水温度 65/45。另外设置一台燃气热水机组，供热量为 170 万kcal/h。其他附属设备见下表。本方案初投资及运行费用如下：方案一主要设备及初投资估算表 表 1设备名称 规格型号、参数 数量单价(万元)合价(万元) 备注水-水框架式板式换热器（钛板）M15-BFM，Q=2200kW,一次水 69/50,二次水 65/45 1 62 62地热水换热燃气热水锅炉（合资企业）Q=2000kW 天然气耗量：240Nm3/h，N=3kW
12、1 35 35供暖循环泵(换热器用)Q=120m3/h,P=32mH2O,N=18.5kW 2 1.0 2.0供暖循环泵（锅炉用）Q=100m3/h,P=32mH2O,N=15kW 2 0.8 1.6地热水潜水泵 Q=120m3/h,P=80mH2O,N=45kW 2 3.5 7.0地热水调节水箱 80m3（封闭水箱，不锈钢） 1 5 .0 5.0自动定压补水装置 N=3kW 3 4.5 13.5自动软水器 2 m3/h,双罐连续供水 1 2.0 2.0软化水箱 1m3 1 0.3 0.3电子水处理仪 DN200/DN150 2 1.5 3.0除污器 DN200/DN150 3 0.2 0.4
13、机房管道、管件、阀门、保温及安装等 28.0工程初投资合计： 159.8上述造价估算不含打井及井口设备费用。方案一运行费用估算表 表 2项目 计算公式 运行费用（万元) 备注电 总功率：3+18.5+15+45+3=84.5kW费用：84.5x16x30x4x0.70/10000=11.4 11.4燃气 240x16x30x4x3.0/10000=138.2 138.2冬季运行费用 地热资源费100x16x30x4x1.5/10000=28.8 28.8总运行费用 (11.4+138.2+28.8)x0.7=124.9平均负荷系数取 0.7 124.9方案二：同方案一，地热水首先通过换热器换热
14、提供 65/45的供暖热水直接供暖。69的地热水经过换热后水温降为 50，再经换热器换热，向水源热泵机组提供 45/25一次水，供两台水源热泵从中提取热量。两台水源热泵一次水串联连接，其一次水温度分别为 45/35和 35/25。两台水源热泵热水出水温度分别为 65/55和 55/45。65/55 出水可以提供散热器采暖，55/45出水可以提供地板辐射采暖。两台水源热泵机组负责提供住宅区二期工程供暖热水。住宅区的采暖形式可采用地板辐射采暖或者散热器采暖。地热井及井口设备的投资费用同方案一，用于供暖的钛板换热器也同方案一。另外设置两台高温水源热泵机组，其制热量分别为 1000kW。其他附属设备见
15、下表。本方案初投资及运行费用如下：方案二主要设备及初投资估算表 表 3 设备名称 规格型号、参数 数量 单价(万元) 合价(万元) 备注水-水框架式板式换热器（钛板）M15-BFM，Q=2200kW,一次水 69/50,二次水 65/45 1 62 62地热水换热水-水框架式板式换热器（钛板）M15-BFM，Q=2200kW,一次水 69/50,二次水 65/45 1 40 40地热水换热水源热泵机组 Q=1000kW，N=200kW 1 54 54水源热泵机组 Q=1000kW，N=200kW 1 54 54供暖循环泵(换热器用)Q=120m3/h,P=32mH2O,N=18.5kW 2 1
16、.0 2.0供暖循环泵（水源热泵用）Q=100m3/h,P=32mH2O,N=15kW 2 0.8 1.6供暖循环泵（水源热泵用）Q=100m3/h,P=32mH2O,N=15kW 2 0.8 1.6地热水潜水泵 Q=120m3/h,P=80mH2O,N=45kW 2 3.5 7.0地热水调节水箱 80m3（封闭水箱，不锈钢） 1 5 .0 5.0自动定压补水装置 4 4.5 18.0自动软水器 2 m3/h,双罐连续供水 1 2.0 2.0软化水箱 1m3 1 0.3 0.3电子水处理仪 DN200/DN150 2 1.5 3.0除污器 DN200/DN150 3 0.2 0.4机房管道、管
17、件、阀门、保温及安装等 60.0工程初投资合计： 310.9上述造价估算不含打井及井口设备费用。方案二运行费用估算表 表 4项目 计算公式 运行费用（万元) 备注冬季运行费 电总功率：200+200+18.5+15+45+3=481.5kW 64.7地热水换热费用：481.5x16x30x4x0.7/10000=64.7用 地热资源费100x16x30x4x1.5/10000=28.8 28.8总运行费用 (64.7+28.8)x0.7=65.5平均负荷系数取 0.7 65.5方案三：采用城市集中供热，小区内不需要机房建设，机房部分投资为 0，需要缴纳暖气开口费80 元/m 2x90000m2
18、=720 万元。另外，暖气使用费每个采暖期 20 元/m 2。每年缴纳的暖气使用费：20 元/m2x90000m2=180 万元。把上述三种方案经济分析结果列表如下:各方案经济指标汇总表 表 5方案名称 方案一 方案二 方案三工程初投资（万元） 159.8 310.9 720运行费用（万元） 124.9 65.5 180通过上表可以看出，方案一与方案二比较来看，方案一初投资省，仅为方案二的二分之一左右；方案二的优点是运行费用省，仅为方案一的二分之一左右。从投资回收期来考虑，如果采用方案二，仅用三年时间，就可以回收比方案一多付出的初投资。可见，从经济角度考虑，方案二拥有较大的优势。另外，在方案一
19、中，地热利用效率 h=(69-50)/(69-0)=0.275，在方案二，地热利用效率 h=(69-30)/(69-0)=0.565。方案二比方案一地热利用效率提高了一倍以上。所以说，从地热资源利用效率上来说，方案二是一个比较合理的方案。方案一、方案二和方案三进行比较，发现采用集中供热时，运行费用及初投资均最高。可以得出的结论是利用地热用于供暖具有较高的经济性。根据上述分析，最后该工程最终选择了方案二。4 结论我国地热资源利用虽然占据世界首位，但在我国能源结构中不足 0.5%,地热供暖面积除在个别城市达到较高百分比外，其他有地热资源的城市还远达到理想目标。即使在那些发展地暖供热比较早的城市里，开采出的地热热水利用率仍然很低。有些工程中，开采的地热水热资源利用效率仅为 25% 。所以今后一个阶段，大力开发和有效利用地热资源已成为我国当前能源问题形式下一个新的命题。高温水源热泵在地热供暖中对地热水温度的梯级利用，极大地降低了供暖系统的运行费用，提高了地热资源的利用效率，降低了地热尾水的温度，减少了对环境的危害。高温水源热泵在地热供暖行业中的推广，必将为整个供暖行业，尤其是地热供暖行业做出自己的贡献。参考文献：1 李先瑞，郎四维.水源热泵一种经济、节能、可靠的空调能源方. 建筑热能通风空调,1999.12 昝成等，地热+高温水源热泵区域供暖工程环境影响分析，2006.07
