石東森 李 恒 王永輝

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水源熱泵型低溫地熱生活熱水系統(tǒng)在鄭州基正住宅小區(qū)的實際應用

石東森 李 恒 王永輝

（鄭州自動化研究所 鄭州 450006）

提出在常用低溫地熱生活熱水系統(tǒng)中增設回水加熱器，以回收生活熱水系統(tǒng)的排水。對可選的5種回水加熱熱源——燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐及水源熱泵的節(jié)能性、經(jīng)濟性進行了比較，提出水源熱泵輔助低溫地熱生活熱水系統(tǒng)。

低溫地熱；生活熱水；水源熱泵

0 引言

近年來，利用低溫地熱水為住宅小區(qū)集中供應生活熱水已成為地熱水利用的主要方式之一。但運行中發(fā)現(xiàn)低溫地熱水生活熱水系統(tǒng)存在排放溫度高（38℃以上），排放量大，地熱資源浪費嚴重。因此應選擇經(jīng)濟、有效的方法，而節(jié)能、高效的水源熱泵是最為有效的一種改造低溫地熱生活熱水系統(tǒng)方式。水源熱泵是一種利用地表淺層水來進行熱交換，提取淺層水的熱量，通過制冷機做功進行能量轉移，最終把地下淺層水的熱量提取出來給生活熱水，滿足用戶需要。水源熱泵從上世紀90年代在我國開始發(fā)展，經(jīng)過近20年的發(fā)展已日趨成熟和完美，尤其近年成為國家大力提倡發(fā)展的一種節(jié)能、環(huán)保新型空調方式。

1 低溫地熱生活熱水系統(tǒng)的改造

1.1 生活熱水系統(tǒng)分析

在常用低溫地熱生活熱水系統(tǒng)中（如圖1），溫控閥的設定溫度一般為生活熱水回水的最低溫度，通常為38℃，冬季略高，夏季略低。當生活熱水回水溫度低于設定溫度時，系統(tǒng)排水。反之，系統(tǒng)保持循環(huán)。常規(guī)生活熱水系統(tǒng)中，通過設置回水加熱器，間接或直接加熱生活熱水回水、補水，提高水溫后供給用戶，運行中無排水。低溫地熱生活熱水系統(tǒng)也可通過增設回水加熱器回收系統(tǒng)排水，補水由地熱井提供，因此問題的關鍵在于選擇回水加熱熱源，最大化利用地熱能。

圖1 常規(guī)生活熱水供應系統(tǒng)

1.2 回水加熱熱源的選擇

選擇回水加熱熱源時應根據(jù)當?shù)乜衫媚茉吹那闆r，選擇技術、經(jīng)濟性較優(yōu)的方案?；厮訜釤嵩窗ㄈ济哄仩t、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐及水源熱泵等，其中水源熱泵是一種高效的節(jié)能裝置，以生活熱水回水作為提取熱量的熱源，制熱性能系數(shù)在4.5以上。

1.2.1 節(jié)能性比較

表1 各種熱源的一次能源利用率

由表1可知，水源熱泵的一次能源利用率最高，在可供選擇的5種回水加熱熱源中，其節(jié)能性最佳（發(fā)電效率取30%）。

1.2.2 經(jīng)濟性比較

設定將生活熱水回水由38℃加熱至46℃，折合成單位熱功率的設備造價及加熱單位質量生活熱水的燃料費、電費見表2。

表2 經(jīng)濟性比較

煤的低位發(fā)熱量按20.9MJ/kg計，柴油的低熱值按41.9MJ/kg計，天然氣低熱值按37.7MJ/m3計。煤價按400元/t計，柴油價格按4.00元/kg計，天然氣價格按2.25元/m3計，電價按0.56元/kWh計。

由表2可知，5種回水加熱熱源中，燃煤鍋爐經(jīng)濟性最佳，但從能源可持續(xù)發(fā)展的角度來看，水源熱泵具有更高的優(yōu)越性，而且其具有自動化程度高、環(huán)保、占地小等特點。

1.3 水源熱泵輔助低溫地熱生活熱水系統(tǒng)形式與特點

水源熱泵輔助低溫地熱生活熱水系統(tǒng)以地熱供熱水為主，水源熱泵加熱為輔。當?shù)責崴c生活熱水回水的混水溫度高于設計溫度時，水源熱泵不啟動。當混水溫度低于設計溫度時，水源熱泵啟動，儲水罐中低于設計溫度的低溫熱水被分成兩路：一路作為水源熱泵的熱源，經(jīng)換熱器換熱后排放。另一路作為被加熱對象，經(jīng)水源熱泵加熱升溫后返回儲水罐。通過設置水源熱泵，提取部分低溫熱水中的熱量，加熱另一部分低溫熱水，從而提高儲水罐中的混水溫度，降低了地熱水排放溫度。

2 工程實例

鄭州市基正置業(yè)住宅小區(qū)，建筑面積為200000m2，生活熱水用戶2200戶，每戶生活熱水用量約0.06t/(戶·d)。地熱井1口，井深為1100米，出水溫為48℃，井水流量為98m3/h。小區(qū)原生活熱水系統(tǒng)為常用低溫地熱生活熱水系統(tǒng)，供暖期（120d）利用供熱鍋爐加熱生活熱水，系統(tǒng)無排水。夏季系統(tǒng)排水質量流量約400t/d，春、秋兩季系統(tǒng)排水質量流量約700t/d。系統(tǒng)排水溫度約38℃，高于地熱水排放標準（35℃），所以原生活熱水系統(tǒng)經(jīng)濟性很差。

改造后需新建水源熱泵設備間，面積為40m2，配置3臺水源熱泵，單臺制熱量為45kW，輸入功率為10kW。換熱器的換熱面積為4m2。配置2臺（1用1備）熱泵給水泵，單臺功率為1.5kW。配置2臺（1用1備）水源循環(huán)泵，單臺功率為1.5kW。改造后的生活熱水系統(tǒng)控制地熱水排放溫度為（15±2）℃，非供暖期系統(tǒng)排水質量流量約30t/d，生活熱水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，基本達到預期效果。改造前后系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較見表3。

表3 改造前后系統(tǒng)經(jīng)濟性比較

系統(tǒng)改造的工程造價為37.7萬元。若按生活熱水售價4.5元/t計算，年收入23.6萬元/年。改造前年虧損19.9萬元/年，改造后年贏利6.6萬元/年。若不計算人工費及折舊費，6年即可回收投入的資金（地熱水取1.3元/t）。

3 結論

實踐證明，水源熱泵輔助低溫地熱生活熱水系統(tǒng)運行可靠，可以有效降低系統(tǒng)排水溫度及排水量，節(jié)能、節(jié)水效果顯著。水源熱泵技術與生活熱水系統(tǒng)結合，不但擴大了地熱利用的空間及溫度界限，還拓展了水源熱泵技術的應用領域。我國是低溫地熱資源的大國，但溫度在40℃以下的地熱水資源及地熱水供暖后溫度在40℃左右的地熱尾水往往難以利用，利用水源熱泵輔助低溫地熱生活熱水系統(tǒng)可回收這些低品位熱能，從而達到充分利用地熱能的效果。

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The Actual Application of Geothermal Hot Water System of Low Temperature Water Source Heat Pump in Zhengzhou Base is Residential Area

Shi Dongsen Li Heng Wang Yonghui

( Zhengzhou Institute of automation, Zhengzhou, 450006 )

It is proposed that the return water heater is added in convention M domestic hot water system with low-temperature geothermal energy to recovery the discharge water from the domestic hot water system. A comparison is made on the energy saving and economy for five kinds of optional heat sources for heating return water, including coal fired boiler, oil-fired boiler, gas-fired boiler, electric boiler and water source heat pump. A domestic hot water system with low-temperature geothermal energy assisted by water source heat pump is put forward.

low-temperature geothermal energy; domestic hot water; water source heat pump

1671-6612（2017）04-388-03

TK529

A

石東森（1978.12-），男，本科，工程師，E-mail：sds211@sina.com

2016-09-29