梅應春，李倩玉，王晨晨，王亞莉

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

1 地熱水開發(fā)利用現(xiàn)狀

地熱資源是指在當前地質環(huán)境和技術經濟條件下能夠成為人類開發(fā)利用的地熱能、地熱流體及其有用組分[1]。地熱資源集熱、礦、水為一體,除可以用于地熱發(fā)電以外,還可以直接用于供暖、洗浴、醫(yī)療保健、休閑療養(yǎng)、養(yǎng)殖、農業(yè)種養(yǎng)植、紡織印染、食品加工等方面[2]。地熱能已成為繼煤炭、石油之后重要的替代型能源之一,也是太陽能、風能、生物質能等新能源家族中的重要成員,是一種無污染或極少污染的清潔綠色能源。

阜陽盆地熱儲層屬封閉型，多呈層狀，分布較穩(wěn)定，下部有大地熱流傳導，上部被巨厚不透水的蓋層覆蓋，周邊受斷裂制而陷落為盆地。由于熱儲層產狀平緩，儲層內的地下熱水徑流滯緩，又因不透水的蓋層覆蓋，得不到大氣降水和地表水的補給，(局部可能有微弱降水補給)，水交替極微弱，幾乎處于封閉狀態(tài)，是天然的良好熱儲存構造。區(qū)域地下熱水溫度和單井涌水量差異不大，水化學類型相似，常為Cl-Na型，具有極大的規(guī)模開采利用潛力[3-4]。

目前，地熱水開采和開發(fā)利用技術手段都相對成熟，但如何提高地熱資源的利用率，降低回灌溫度以及保證地熱水的完全回灌是地熱利用中急需解決的問題。水源熱泵的梯級利用技術可以有效的解決上述存在的問題，以達到地熱水高效利用的目的[5]。

2 實例分析

2.1 工程背景

2.1.1 工程概況

阜陽市某醫(yī)院，位于阜陽市城北新區(qū)、緊臨老泉河風景帶，占地125畝，建筑物總面積13.52 m2，需要空調和采暖的面積為13.52萬 m2。采用冬季制熱全從地熱水中提取、夏季全由冷卻塔制冷方案為該醫(yī)院提供整體的冬季供暖和夏季制冷。

2.1.2 區(qū)域水文地質條件

阜陽地區(qū)屬淮北平原西北部，全區(qū)為800～1 500 m厚的新生界松散層所覆蓋，下伏華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。區(qū)域主要含水層為：

1)“淺層+中深層”地下水

包括0～50 m深度范圍內的孔隙潛水和50～150 m范圍內的孔隙承壓水；0～50 m深度范圍內的孔隙潛水，富水性好、補給條件好，現(xiàn)狀動態(tài)為入滲～蒸發(fā)型，地下水水位年變幅為1.0～3.0 m，現(xiàn)狀區(qū)域上開采利用程度低、城區(qū)范圍內基本不開采；50～150 m范圍內的孔隙承壓水，該層組富水性好、補給條件較好，與上覆孔隙潛水的水力聯(lián)系密切；該層是區(qū)域主要開發(fā)利用層位之一，城區(qū)范圍內處于超采狀態(tài)且全劃為二級限采區(qū)。

2)深層地下水

深層地下水主要是分布在150～800 m范圍內的孔隙承壓水，該層組富水性好、補給條件較差，與上覆孔隙承壓水的水力聯(lián)系差；該層是區(qū)域主要開發(fā)利用層位之一，城區(qū)范圍內處于超采狀態(tài)，老城區(qū)范圍現(xiàn)劃為一級限采區(qū)、城區(qū)全劃為二級限采區(qū)。

3)深層地熱水

本工程以150 m以淺的“淺層+中深層”地下水、1 000～1 500 m的深層地熱水為地熱水開發(fā)利用目標含水層組。

圖1 水源熱泵空調系統(tǒng)工藝流程圖

2.1.3 水源熱泵原理

水源熱泵是將地下水作為熱量載體，來獲取對建筑物內環(huán)境溫度的調節(jié)。影響熱泵需水量主要因素，有建筑物所需冷、熱負荷量，機組工況及地下水體的熱物理條件。

地下水水源熱泵工藝流程，首先是地下水源熱泵在夏季將抽出的地下水，通過封閉管路經熱泵機組，溫度較低的地下水在循環(huán)中“被加熱”(間接地將房間空氣中的溫度轉移到地下水中)，再返回到含水層中，由此實現(xiàn)夏季制冷；冬季相反，工藝流程圖參見圖1。

2.2 方案設計

2.2.1 負荷設計

本次冷暖聯(lián)供的建筑物總面積13.52萬 m2；據區(qū)域氣候條件、建筑物節(jié)能特征等，《阜陽某醫(yī)院地熱梯級利用系統(tǒng)方案》計算了各建筑物負荷值(含新風負荷)，見表1。

表1 設計負荷統(tǒng)計表

由表1可知，本工程設計總負荷：夏季制冷負荷13 830 kw，冬季供熱負荷9 560 kw。

根據工程所在地段水文地質條件、區(qū)域地下水資源管理要求，結合本工程空調系統(tǒng)運行特點，本著“技術可行、經濟合理”的原則，從節(jié)能減排的角度，將本工程空調系統(tǒng)方案為：以地熱水冬季供熱、冷卻塔夏季制冷為基礎，輔以“淺層+中深層”地下水源熱泵調節(jié)。

建筑物冷熱負荷設計值，均按最不利氣溫條件的計算結果。據區(qū)域氣象條件，冬季供暖期，在40%左右的氣溫相對較高的天數里，使用負荷只有設計值60%以下；夏季制冷期，高于負荷設計值60%的較不利高溫天數占30%左右。也即，在需要供暖與制冷60%～70%天數里，實際負荷量只有設計量的40%。

在負荷設計值>60%使用天數內，實際需要的負荷為基礎負荷；則，夏季制冷基礎負荷量5 500 kw、冬季供熱基礎負荷量約3 850 kw。

基于經濟合理性，按一套系統(tǒng)同時實現(xiàn)夏季制冷與冬季供暖(冷暖聯(lián)供)設計。

就本實例而言，基于現(xiàn)狀出水量與水溫的實際條件，2對熱水井不變；利用“淺層+中深層”地下水源熱泵，調節(jié)供暖峰值負荷。

利用該醫(yī)院地熱梯級利用系統(tǒng)方案中地熱水取熱技術，2對4口熱水井，可提供熱能6 000 kw；本工程冬季供熱總負荷9 560 kw，則需要“淺層+中深層”地下水源熱泵供熱量為3560 kw(接近基礎負荷量3850kw)。

2.2.2 地熱水需水量計算

“淺層+中深層”地下水源熱泵供熱量為3 560 kw，該醫(yī)院所在區(qū)域，“淺層+中深層”地下水水溫為18℃～21℃；取熱時，地下水水溫按偏低的18℃計，回灌到含水層中的水溫按3℃計(回灌過程不結冰即可)，提取熱量的溫差為15℃；則，需開采“淺層+中深層”地下水的水量為：需水用量=(制熱量-機組輸入功率)×0.86/溫差地下水源熱泵機組的制熱能效比COP(制熱量/制熱消耗功率)，一般可達5.5～6.0(從偏安全角度，按5.5計算)；

機組輸入功率≈0.7×制熱消耗功率；則：機組輸入功率=0.7×制熱

(1)

消耗功率=0.7×制熱量/5.5=0.13制熱量

(2)

由上，得：

需水用量=(制熱量-機組輸入功率)×0.86/溫差=(制熱量-0.13制熱量)×0.86/溫差

=0.87制熱量×0.86/溫差=0.87×3 560 kw×0.86/15℃=178 m3/h

即，為建筑物提供3 560 kw熱量，需開采“淺層+中深層”地下水178 m3/h。

地熱水供熱負荷6 000 kw；仍按2對4口(2口開采、2口回灌)熱水井，取50℃的地熱水量為120 m3/h。

2.2.3 取水時程與年取水量

地下水源熱泵項目，只在需要供暖和制冷期間開采地下水。地熱水按供暖期為4個月計，熱泵系統(tǒng)平均日運行12個小時；則年取水量為：

120 m3/h×12 h/d×4×30 d=17.28×104m3

“淺層+中深層”地下水源熱泵，不僅可以制熱，也可以制冷；按供暖、制冷期各4個月計，熱泵

系統(tǒng)平均日運行12個小時；則年取水量為：

178 m3/h×12 h/d×8×30 d=51.26×104m3

2.2.4 節(jié)能效益評價

中央空調，國家規(guī)定的一級能效比為3.3；本次綜合能效比(制冷能效比EER和制熱能效比COP的調和平均)，初步測算可達4.5；按一級能效比為基準，本工程比達到一級能效比的一般中央空調還節(jié)能271×104kwh/a；節(jié)能效果十分明顯。

3 結語

本文通過阜陽某地下水源熱泵項目系統(tǒng)方案分析，以地熱水冬季供熱、冷卻塔夏季制冷為基礎，輔以“淺層+中深層”地下水源熱泵調節(jié)峰荷；可在“技術可行、經濟合理”的前提下，進一步挖掘了節(jié)能減排潛力，本項目綜合能效比相比國家一級能效比節(jié)能37%，且大幅度減少補給條件差的地熱水開采量，能夠同時達到項目的使用需求同時避免了地熱水資源的大量浪費，其經濟效益和社會效益達到最優(yōu)。

[1]孔維臻. 地熱資源開發(fā)利用經濟評價研究[D]. 中國地質大學.2013.

[2]董俊領. 長青林場地熱資源潛力評價[D]. 吉林大學.2013.

[3]潘國林. 安徽省地熱資源特征及遠景區(qū)劃[J]. 中國地質災害與防治學報.2011. 22(2):130-134.

[4]官煜, 黃多成. 安徽省阜陽市城區(qū)地熱資源[C]. 地溫資源開發(fā)與地源熱泵技術應用論壇. 2008.

[5]董紅霞. 地熱梯級利用供熱系統(tǒng)運行策略研究[D]. 天津大學.2011.