淺析中深層地?zé)崮芴菁?jí)利用

崔雷 雷偉 樊磊

摘要：近年來(lái)，隨著生活水平的提高，當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)供暖的需求增加，尤其是大量新建建筑。然而，最初的燃煤供熱導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣污染，燃?xì)夤崦媾R著氣荒及運(yùn)營(yíng)成本高等問(wèn)題。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔的可再生能源，得到了廣泛的認(rèn)可，但如何提高地?zé)崮艿睦眯曙@得尤為重要。采用臺(tái)式換熱器+熱泵機(jī)組供暖系統(tǒng)，提高地?zé)崴寐省?/p>

關(guān)鍵詞：中深層地?zé)崮?采暖;梯級(jí)利用;板式換熱器;熱泵技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷改善，人們的生活環(huán)境也在不斷改善。供暖和制冷能耗約占社會(huì)總能耗的25%～30%，導(dǎo)致能源不斷減少，環(huán)境不斷污染。因此，中深層地?zé)崮艿睦弥饾u進(jìn)入人們的視野。目前，中深層地?zé)崮芾眉夹g(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

1常見(jiàn)中深層地?zé)崮芾眉夹g(shù)

（1）“保水取熱”換熱技術(shù)。該技術(shù)為閉式循環(huán)換熱技術(shù)，具有只取熱不取水的特點(diǎn)。它可以有效地保護(hù)地下水資源，減少地下水資源的浪費(fèi)。

（2）水熱型地?zé)峒夹g(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的目的是直接抽取地下水。地下水中的熱量通過(guò)換熱器傳遞到所需側(cè)，這大大提高了換熱效率。

（3）廢棄油田改造地?zé)峋畵Q熱技術(shù)。通過(guò)地?zé)峋脑欤_(dá)到“變廢為寶”的目的，節(jié)約了鉆井的人力物力，為中深層地?zé)崮艿拈_(kāi)采提供了便利條件。

（4）中深層地?zé)崮軣峁軗Q熱技術(shù)。將一定量的液體工質(zhì)注入封閉的真空管中。液體工作介質(zhì)在熱管底部蒸發(fā)和吸收熱量，并變成氣體。氣體工質(zhì)自發(fā)地流向熱管頂部，并冷凝和釋放熱量。冷凝液在重力作用下返回?zé)峁艿撞浚瑥亩鴮崃繌臒峁艿撞?，即幾公里深的地?zé)醿?chǔ)熱器，持續(xù)傳遞到熱管頂部，熱管頂部是供地面使用的熱利用設(shè)備。

（5）強(qiáng)化地?zé)釗Q熱技術(shù)。該系統(tǒng)主要提取干熱巖石的熱量。干熱巖是一種深部地?zé)醿?chǔ)層。為開(kāi)發(fā)利用干熱巖，提出了強(qiáng)化地?zé)釗Q熱系統(tǒng)的建議。這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外被廣泛使用。

由于前三種中深層地?zé)崮芾眉夹g(shù)應(yīng)用最為廣泛，本文將分析前三種技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)，描述中深層地?zé)崮芾眉夹g(shù)的研究進(jìn)展，討論和分析存在的問(wèn)題，并對(duì)該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2地?zé)崽菁?jí)利用系統(tǒng)研究

2.1地?zé)崽菁?jí)利用原則

目前，由單組或單個(gè)加熱裝置產(chǎn)生的溫降是有限的，因此在熱交換后，地?zé)崴苯恿鲃?dòng)（或重新增加）。為拓寬現(xiàn)有地?zé)崴疁囟确秶岣叩責(zé)崮茉聪?，換熱器可從高溫到地溫連續(xù)運(yùn)行，滿足多種用途和使用條件，逐步提取和利用地?zé)崃黧w溫度，使地?zé)崃魉傧陆邓恢苯俞尫牛ɑ蛑匦屡欧牛?。這種充分利用地?zé)崮艿姆绞椒Q為地?zé)崽坠芟到y(tǒng)。

如表2.1所示，重要的是要注意許多熱交換器（或位置）需要溫度限制。

發(fā)電或加熱后的地?zé)嵛菜疁囟热栽?0～40°C左右，可充分利用，如水產(chǎn)養(yǎng)殖、灌溉等。

地?zé)崽菁?jí)系統(tǒng)的原理如圖2.1所示。地?zé)崴畯木谐槌龊?，?jīng)過(guò)一次換熱器、二次換熱器和最終換熱器。由熱交換器產(chǎn)生的熱量然后返回到每個(gè)加熱裝置。地?zé)崴魉怀浞旨訜岵⒆罱K以所需溫度重新進(jìn)入地下。

2.2與傳統(tǒng)加熱方法的比較

與傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)（如城市集中供暖）相比，地?zé)崽坠芟到y(tǒng)的使用更為復(fù)雜，原因有三。

（1）地下水富含礦物質(zhì)，水質(zhì)復(fù)雜。它通常含有高含量的硫或氯、硫酸鹽、游離二氧化碳、硫化氫等物質(zhì)，會(huì)損壞金屬并導(dǎo)致設(shè)備堵塞。因此，地?zé)崴?jīng)過(guò)水處理后可用于供暖系統(tǒng)，換熱器必須采用與地?zé)崴苯咏佑|的防銹材料（如鈦塑換熱器）。

（2）一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)可以繞過(guò)換熱器傳熱水。在地?zé)崽坠芟到y(tǒng)中，熱源來(lái)自深層水，因此泵站需要大量電力。因此，加熱設(shè)備只有多級(jí)加熱才能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

（3）地?zé)嵛菜幚聿煌诔Ｒ?guī)供熱方式（如熱源尾水源熱泵應(yīng)只流向江河湖泊，基本上是熱源。封閉系統(tǒng)不耗水，熱源尾水處理等），地下水有兩種方法：直接排水和回灌。

流體是地下水資源的浪費(fèi)，不滿足“傳熱”，但富含地下水的重金屬環(huán)境污染了周圍的土壤。

地?zé)嵝迯?fù)對(duì)于處理地?zé)釓U水、提高或恢復(fù)換熱器的蓄熱能力、維持儲(chǔ)存流體壓力和維持地?zé)釄?chǎng)礦物條件具有重要意義。這是國(guó)家使用地下水的強(qiáng)制性要求。地?zé)釓?fù)位參數(shù)分為同井重插、井間重插、B2～B4井組重插三種。然而，康復(fù)能力嚴(yán)重受損，這是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3地?zé)峁┡?xiàng)目概述

總建筑面積17702.5平方米，分為東、西兩部分。該地區(qū)的建筑活動(dòng)主要是住宅、商業(yè)和辦公室工作。大廈東部共有19棟，其中住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)和酒店區(qū)共96813平方米，分別為69721平方米、6988平方米、6267平方米和14287平方米，其中一棟樓高67.6米。

地?zé)峁┡?xiàng)目已運(yùn)行3年，主要功能為冬季供暖。目前地?zé)崮艿睦们闆r如下。為了增加系統(tǒng)的制熱能力，建議在主給水管和回水管之間安裝水泵，以增加寒冷冬季的制熱能力。

4地?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

我們可以從以下三個(gè)方面對(duì)原有的地?zé)峁┡到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：①擴(kuò)大供熱能力;②減少地?zé)崴拈_(kāi)采;③擴(kuò)大系統(tǒng)或關(guān)鍵加熱設(shè)備的傳熱能力。

4.1設(shè)備選擇

（1）一次直供板式換熱器

板式換熱器是地?zé)嵴镜闹饕幚碓O(shè)備之一。它將熱量從高溫地?zé)崴D(zhuǎn)移到相對(duì)冷的二次網(wǎng)絡(luò)熱水。該墊圈用重疊和壓縮螺栓和框架密封和壓縮。板片和墊片的平孔構(gòu)成液體分配管和收集管，將冷熱液體分開(kāi)，讓它們流過(guò)板片兩側(cè)的通道，在板片內(nèi)進(jìn)行熱交換。根據(jù)工藝流程和計(jì)算計(jì)算，主直供板式換熱器的傳熱能力為4186.8kw?？紤]到余量條件為1.25，建議選擇兩臺(tái)換熱能力為2650kW的平板換熱器。主側(cè)進(jìn)水溫度55°C，主側(cè)出水溫度37°C，溫差18°C，副側(cè)進(jìn)水溫度35°C，副側(cè)出水溫度45°C?！鉉根據(jù)地?zé)峋馁|(zhì)量，為保證傳熱效率和板的使用壽命，首選鈦板。

（2）二次板式換熱器

根據(jù)工藝流程和參數(shù)計(jì)算，二次板式換熱器的換熱能力為4490.56kw。二次熱交換器和一次熱交換器側(cè)面的二次熱交換器之間的溫差被認(rèn)為是17℃，二次熱交換器和二次熱交換器側(cè)面的二次熱交換器之間的溫差被認(rèn)為是17℃，二次熱交換器側(cè)面的一次熱交換器和二次熱交換器之間的溫差被認(rèn)為是17℃，二次熱交換器和二次熱交換器側(cè)面的二次熱交換器之間的溫差被認(rèn)為是17℃，鈦板也被選用。

（3）熱泵機(jī)組

熱泵機(jī)組是一種以水為熱源進(jìn)行制冷/制熱循環(huán)的熱泵式一體化水冷裝置。制熱時(shí)，第二板式換熱器可將低溫地?zé)崴臒崃块g接散熱，插入熱水中。在冷卻過(guò)程中，冷凝器水釋放的熱量進(jìn)入冷水。熱泵機(jī)組主要是蒸汽、調(diào)節(jié)器、壓縮機(jī)等。據(jù)計(jì)算，低溫?zé)岜脵C(jī)組需供熱5613.2kw。根據(jù)樣品選擇2臺(tái)2850kw熱泵機(jī)組。根據(jù)市場(chǎng)熱泵型號(hào)，熱泵為5臺(tái)，制熱輸入功率570kW，蒸汽側(cè)入口23℃，蒸汽側(cè)出口15℃，溫差8℃，調(diào)節(jié)器進(jìn)口35℃，冷凝器輸出45℃，溫差10℃。

（4）一級(jí)板換直供循環(huán)泵

循環(huán)水泵用于輸送熱水。站內(nèi)是用于克服管網(wǎng)末端和管網(wǎng)外水流阻力的機(jī)械裝，。一般采用一級(jí)離心泵。循環(huán)泵分為立式泵和臥式泵。固定泵的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，安裝方便，臥式泵的優(yōu)點(diǎn)是易于維護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，本設(shè)計(jì)首選立式循環(huán)泵。經(jīng)負(fù)荷分析，一次傳熱負(fù)荷為4186.8kW，供回水溫差10℃，下部供暖水流量360m3/s。圖片中給出的第二個(gè)管網(wǎng)的數(shù)據(jù)不是很好的回路壓力損失300kPa。根據(jù)水泵選型標(biāo)準(zhǔn)，換熱泵設(shè)計(jì)流量為系統(tǒng)計(jì)算的1.1倍，提升系統(tǒng)壓力為1.2倍。計(jì)劃選用3臺(tái)循環(huán)水泵，流量200m3/h，揚(yáng)程38m，電機(jī)30kW。

4.2混合熱水箱安裝及運(yùn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化

（1）加入混合熱水箱

在優(yōu)化實(shí)踐中，必須遵循充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)或工具來(lái)體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的原則。由于污水泵為定頻泵，調(diào)節(jié)方式可以開(kāi)啟和關(guān)閉。為了確保改進(jìn)和改進(jìn)的供暖系統(tǒng)在節(jié)約水資源方面具有經(jīng)濟(jì)可行性，提出了一種改進(jìn)的混合熱水箱選擇方案。數(shù)值熱水經(jīng)過(guò)串級(jí)系統(tǒng)處理后，溫度相應(yīng)升高，地?zé)嵛菜幸韵聝煞N處理方式：①如果判斷地?zé)嵛菜疁囟确显O(shè)計(jì)要求，則應(yīng)重新注入尾水;②如果地?zé)嵛菜疁囟冗_(dá)不到設(shè)計(jì)要求，將尾水并入混熱水箱循環(huán)利用，直至達(dá)到相應(yīng)的溫度值回注。

現(xiàn)在已知地?zé)崴?yīng)t為57c，M為150m2/h，m2為水混合容量，體積比熱容量設(shè)定為常數(shù)，C為4.187kj/kg·℃。如果系統(tǒng)運(yùn)行期間承受的熱負(fù)荷為36443kw，經(jīng)計(jì)算，T3為37℃。然后建立了供暖用戶設(shè)計(jì)供水溫度（T2）函數(shù)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在T2能達(dá)到的溫度范圍內(nèi)，隨著供水溫度的升高，火災(zāi)蓄積耗散趨于減小，說(shuō)明T2越高，火災(zāi)蓄積耗散越低，系統(tǒng)的傳熱效率越好。

選擇換熱器后，當(dāng)熱流恒定時(shí)，系統(tǒng)的散熱量與冷熱流體的熱容成反比關(guān)系。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)m1=m2=150m3/h時(shí)，將水源熱泵額定狀態(tài)下熱源水端蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差設(shè)為8℃，單個(gè)蓄熱單元的制熱量為1396kw。為了滿足余熱用戶的實(shí)際供暖要求，在供回水溫差恒定的情況下，可以增加蒸發(fā)器側(cè)的循環(huán)水流量，選擇水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組，以滿足余熱用戶的主觀需求。隨著熱源端過(guò)程溫度指數(shù)的增加，機(jī)組的cop也相應(yīng)增加，表明機(jī)組的熱容量增長(zhǎng)率大于輸入功率的增長(zhǎng)率。這表明提高機(jī)組熱源水溫有利于提高熱泵機(jī)組的供熱性能。本方案擬選用GVHG1000水源熱聚合裝置，對(duì)22℃進(jìn)水濕度進(jìn)行修復(fù)后，判斷修正后的供熱能力滿足余熱用戶的供熱需求。

（2）操作規(guī)程

為了更好地控制地?zé)崴刈囟戎笜?biāo)，在改造優(yōu)化期間，將未達(dá)到預(yù)定回注溫度的地?zé)崴菜匦录{入換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱提升處理。具體操作方法總結(jié)如下：

在熱水混合池的熱水供應(yīng)和地?zé)嵛菜芫€與水源端潛水泵之間安裝一套150m3蓄水池?！肮┧焙汀盎厮狈謩e與一次熱用戶的供水管和地?zé)嵛菜芟噙B。在將熱交換器連接至蓄水池的管道上方設(shè)置溫度控制三通閥。其功能是將溫控三通閥的溫度調(diào)節(jié)在15～18℃之間。如果發(fā)現(xiàn)回水溫度低于15℃，必須斷開(kāi)攪拌支管閥口，啟動(dòng)排水支管閥口，將水從蓄水池中排出;如果檢測(cè)到水庫(kù)水位下降到初始水位的1/3，則需要啟動(dòng)供水潛水泵補(bǔ)充水庫(kù)中的水;如果檢測(cè)到回水溫度>18℃，關(guān)閉排水支管閥口，啟動(dòng)混合支管閥口。關(guān)閉供水潛水泵的標(biāo)準(zhǔn)是水庫(kù)水位等于補(bǔ)水處理后的初始水位。建議安裝一套潛水控制柜，水源側(cè)潛水排污泵選用恒頻泵。

（3）地?zé)峁┡脑?/p>

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，規(guī)劃了改造方案，該方案在提高供暖系統(tǒng)傳熱性能方面具有較高的效率。經(jīng)過(guò)改造和優(yōu)化，地?zé)峁┡到y(tǒng)分為兩個(gè)梯度應(yīng)用，同時(shí)輪流承擔(dān)36445kw的負(fù)荷，系統(tǒng)的換熱能力顯著提高。板式換熱器和水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)分別見(jiàn)表4.1。

為了明確優(yōu)化后的供暖系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的排污壓力，并比較污染源，可以比較污染物的數(shù)量。本文主要以中深層地?zé)崴疄闊嵩?。與以往鍋爐房集中供暖方式相比，可顯著減少煤炭資源投資，減少二氧化碳等污染物排放，節(jié)能環(huán)保，符合國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排政策。

結(jié)束語(yǔ)

在優(yōu)化地?zé)崴到y(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)遵循擴(kuò)大地?zé)崮苡行夭睢p少地?zé)崴_(kāi)采的原則。通過(guò)調(diào)節(jié)地?zé)峋鏊俊⒒刈⑺疁鼗驌Q熱器低溫側(cè)出口溫度，可以達(dá)到優(yōu)化目的。在原有供暖系統(tǒng)中增設(shè)混合熱水箱，可以建成運(yùn)行效率更高的地?zé)崽菁?jí)利用系統(tǒng)。有利于節(jié)約水資源，提高整體供暖效率。

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