文_劉軍 謝迎春 蔣執(zhí)俊 中核坤華能源發(fā)展有限公司

我國目前利用地熱供暖的面積已達到2.5億m2，替代燃煤約1000萬t，并且正處于快速增長過程中。地熱供暖作為清潔能源供熱的一種具體方案，為治理霧霾，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)提供了一條切實可行的技術(shù)路線。目前，在地熱供暖項目中，為了充分利用地熱水中的熱量，往往利用熱泵技術(shù)和換熱器相結(jié)合的梯級利用方式。采用此種方式，地熱資源的利用率得到了較大提高，但仍存在可以改進的空間。

1 熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)主要基于逆卡諾循環(huán)原理。熱泵主機一般由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成。熱泵主機的主要性能指標為制熱能效比和制冷能效比。影響熱泵主機的主要因素為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，其中蒸發(fā)溫度的影響最大。通常工況下，蒸發(fā)溫度每提高1℃，熱泵主機的能效比可提高3%～5%；冷凝溫度降低1℃，熱泵主機的能效比可提高2%～3%。

2 熱泵技術(shù)在地熱供暖梯級利用中的傳統(tǒng)方案

地熱水通過一級換熱器將采暖回水由35℃加熱到45℃，經(jīng)一級換熱器后，溫度降為40℃的地熱水進入二級換熱器，將中介循環(huán)水由10℃提高到20℃后進入蒸發(fā)器，經(jīng)過二級換熱器后，地熱尾水的溫度降低到15℃，再進行回灌。而熱泵主機提取熱量后將采暖回水由35℃加熱到45℃，用于供暖。

由熱泵主機的性能系數(shù)及其影響因素可知，上述流程尚存在以下問題：①采暖循環(huán)水的溫度直接被熱泵加熱到45℃，溫升較大，且熱泵僅有一個冷凝溫度，沒有充分發(fā)揮采暖循環(huán)回水溫度較低的優(yōu)勢。②熱泵的蒸發(fā)溫度受制于蒸發(fā)器的出水溫度。傳統(tǒng)流程中熱泵僅有一個蒸發(fā)溫度。二級換熱器的入口溫度為40℃，遠大于熱泵主機蒸發(fā)器的出水溫度，沒有充分發(fā)揮地熱水溫度較高的優(yōu)勢。

3 負荷側(cè)梯級加熱的方案

采暖循環(huán)水側(cè)梯級加熱方案的流程如圖1所示。此種方式地熱水側(cè)的流程和傳統(tǒng)流程一樣，區(qū)別在于負荷側(cè)。熱泵主機和一級換熱器采用串聯(lián)梯級加熱的方式逐步提高采暖循環(huán)水的溫度。采暖回水首先進入熱泵的冷凝器，被加熱后再進入到一級換熱器，繼續(xù)被加熱到目標溫度后用于供暖。

圖1 負荷側(cè)梯級加熱流程圖

此種方式有以下特點：①該方式可有效降低熱泵的冷凝溫度，有利于提高熱泵主機的能效比。②一級換熱器負荷側(cè)的入口溫度較傳統(tǒng)流程入口溫度高，導致一級換熱器的有效換熱量減少，熱泵的裝機容量有所增加，系統(tǒng)投資有所提高。③采暖循環(huán)水側(cè)熱泵和一級換熱器串聯(lián)，導致整個負荷側(cè)的阻力較傳統(tǒng)流程阻力有所增加，運行時采暖循環(huán)泵功耗有所增加。④實際運行過程中，一級換熱器承擔基礎(chǔ)負荷，熱泵承擔尖峰負荷，熱泵實際運行時間較少。

在相同供熱量的前提下，與傳統(tǒng)流程相比地熱資源的利用程度如表1所示。

表1 負荷側(cè)梯級加熱方案的改造效果

從表1可看出，兩種方式的地熱尾水溫度相近，意味著相同供熱量的前提下，兩種方式的地熱能利用程度接近。

4 源荷側(cè)梯級利用方案

為了充分利用地熱溫度較高的工況優(yōu)勢，在傳統(tǒng)流程的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行了改進。第一種改進方法僅對地熱水側(cè)進行改進，將地熱水換熱系統(tǒng)設計為三級換熱。一級換熱器直接加熱采暖循環(huán)水，二級換熱器加熱二級中介循環(huán)水，作為二級熱泵的余熱源。三級換熱器加熱一級中介循環(huán)水，作為一級熱泵主機的余熱源。

此種改造方式有以下特點：①為熱泵提供了兩種不同的蒸發(fā)溫度，讓二級熱泵的能效比更高，系統(tǒng)的運行更節(jié)能。②將地熱水側(cè)多級換熱器進行串聯(lián)，地熱水側(cè)的壓力降較大，地熱水側(cè)的運行泵耗較傳統(tǒng)流程增高；但由于地熱水側(cè)溫差較大，地熱水的流量比較小，同時地熱水側(cè)的阻力比較大，增加的阻力占系統(tǒng)阻力的比率較小，所以地熱水側(cè)的泵耗對系統(tǒng)能耗的影響不大。③與傳統(tǒng)流程相比較為復雜，設備較多，維護維修比較困難。

通過對工藝的研究，當熱泵主機的冷凝器側(cè)為并聯(lián)關(guān)系，兩級熱泵主機的冷凝溫度一致，所以熱泵冷凝器側(cè)尚存在優(yōu)化空間。在此提出第二種改進方法。新的流程圖如圖2所示。

圖2 源荷側(cè)梯級利用工藝流程圖

新的系統(tǒng)流程有以下特點：①不僅為熱泵提供了兩個不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，兩臺熱泵主機的運行工況均得到了優(yōu)化，系統(tǒng)運行更節(jié)能。②負荷側(cè)兩臺熱泵的冷凝器以及與之對應的地熱水側(cè)換熱器的連接關(guān)系為串聯(lián)，系統(tǒng)的阻力有所增加，循環(huán)水泵的功耗有所增加。③較傳統(tǒng)流程更為復雜，設備較多，維護維修困難。

表2 新方案的改造效果

表2說明源側(cè)梯級利用方案較傳統(tǒng)方案地熱資源利用的更加充分，熱泵主機的供熱能力占系統(tǒng)供熱能力的比例變小，系統(tǒng)的能效更高。熱泵主機的效率較傳統(tǒng)方案大概可以提高16%左右。而源荷側(cè)梯級利用方案地熱資源利用最充分，系統(tǒng)的能效最高，熱泵主機的能效較傳統(tǒng)方案大約可提高23%。

5 結(jié)語

源側(cè)梯級利用方案相較于傳統(tǒng)方案具有較明顯的優(yōu)勢，特別是在荷側(cè)也采用梯級利用的方法。其主要特點是利用地熱尾水溫度比較高的優(yōu)勢提供多個蒸發(fā)溫度，提高熱泵的能效比。同時，在冷凝器側(cè)提供多個冷凝溫度，從而降低熱泵的冷凝溫度，提高了熱泵的能效比。與傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱泵相比，一級熱泵的蒸發(fā)溫度和傳統(tǒng)方案熱泵的蒸發(fā)溫度相同，而冷凝溫度低于傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱泵冷凝溫度。二級熱泵的蒸發(fā)溫度高于傳統(tǒng)熱泵的蒸發(fā)溫度，而冷凝溫度相同，一二級熱泵均得到了優(yōu)化。

在地熱水側(cè)和負荷側(cè)構(gòu)建多個熱泵系統(tǒng)（大于2），可以提高系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性，使得系統(tǒng)的熱力完善度更高。但不可避免地造成整個系統(tǒng)更加復雜，運行維護維修的成本有所增加。

因此，通過地熱梯級流程的優(yōu)化，可更加有效的利用地熱資源，提高地熱利用的經(jīng)濟性和節(jié)能性。