浅谈热泵在低温地热井中的应用与经济性

刘 琨

(天津市热力公司 天津 300070)

1 小区地热井简介

小区地热井建于1998年九月，99年正式开始投入运行，由地热井向小区用户直接提供生活热水。地热井出水温度44℃，开采量91T/h，动水位91m。目前小区使用生活热水的总户数为866户。

2 地热井设备及运行现状

2.1 设备情况

表1 小区生活热水所用设备一览表

2.2 工艺运行情况

地热水由深井泵抽出，送入容量为50T的两个储水罐内，然后再由生活热水泵从储水罐输送到外管网及室内热水用户。深井泵及生活热水泵均采用变频调速，深井泵由储水罐液位控制，生活热水泵由外网压力控制，控制点为3.5kg/cm2，生活热水循环回到泵房后，由温度控制电磁阀的开启，当温度低于38℃时，打开电磁阀排水，温度高于38℃时，电磁阀关闭。

2.3 生产运行情况

现运行一台55kW深井泵和一台15kW生活热水泵，两台泵均为变频调速，连续24小时向用户供给生活热水。地热井实际开采量为28T/h，实测出水温度42℃。

3 小区生活热水存在的问题

3.1 供水温度偏低

供水温度：在热水集中供应系统的出口最低温度，应保证管网最不利配水点水温不低于使用要求。

住宅：淋浴器37—40℃；洗脸盆、盥洗槽水龙头30℃

地热井出水温度42℃，小区全年由地热井水直接供给。除夏季回水温度高于35℃以外，其它三季用于生活热水，温度有些偏低。故在冬季采暖运行期借助锅炉，通过板式换热器来提高用水温度。而在锅炉开启前和停止运行以后的春、秋两季，存在供水温度偏低，不能满足小区供水温度要求。

3.2 管网某些配水点供水循环不好

小区生活热水，目前为24小时连续向用户供给。如地热回水全部排放，热水循环泵流量在28m3/h左右；如地热回水不排放，循环泵流量在15m3/h左右。而外网是按最终规模设计，就目前实际为0.1m/s—0.25m/s的管网系统，相对流速偏低。由于热水系统，由热源至最远端总长度达800米，以上的管网流速，在配水和回水管中循环一周大约需要3小时，而正常的循环时间应该是30分钟。因而造成管网某些配水点供水时循环被破坏，是形成较远端生活用水循环不畅的主要原因。

3.3 管网系统的排气装置不键全

小区生活热水系统为上供下回式，但在系统的最高点处未设排气装置，造成管网中气体无法排除，所形成的气体阻碍了系统水的正常运转。

3.4 室内生活热水系统有问题

部分用户室内系统有问题，释放冷水时间过长。这种情况不但在较远端用户中存在，较近端用户中也同样存在，分布不均匀。

3.5 系统的循环回水基本排放

管网系统的生活热水循环回至泵房，低于38℃时全部排放。由于供水温度较低，系统回水基本都低于38℃，而全部被排放。这不仅浪费了大量可利用的地热资源，也增加了地热水开采量，是一种很不经济的运行方式。

4 解决问题的方法与途径

针对生活热水温度偏低；较远端热水循环不好；释放管网中冷水时间过长等原因决定：

（1）对热源部分进行改造，并将全年分为多个阶段运行：通过锅炉、热泵、电等分解加热方式，提高供水温度。

（2）重新选择热水循环泵的定压控制值，并增加一个温度控制阀来控制热水循环泵（变频）的开启与关闭。当低于压力设定值以及回水温度不能满足用户需要时，循环泵开启，否则关闭，以提高最不利配水点的循环量和供水温度。

（3）对整个管网的各管段配水量进行全面调整，由近端开始，依据各楼门使用热水的户数，适量调节阀门开启度，以解决较远端用户的供水问题。

（4）对上供下回的室内热水供应系统，在其最高点处安装排气阀，解决系统循环不畅问题。

（5）针对室内系统存在问题的用户，视具体情况，依据排除法逐步分析研究，找出其共性以及各自存在的特性问题，寻求最佳解决问题的方法。

（6）将热水供应系统改造成回水不排放，使其回到冷储水罐并能加以循环利用，减少地热开采量。

5 提高小区生活热水质量方案选择

解决小区春、秋两季生活热水质量问题可通过三种途径加以完善：

（1）全部通过热泵提高供水温度。

（2）通过电、热泵互补提高供水温度。

（3）全部通过电加热提高供水温度。

通过一组详细数据加以论证，见表二。

表2 方案中每加热一吨水（42—50℃）能源消耗量

由以上数据显示，由燃煤将42℃地热水加热到50℃所需费用最低，仅为1.763元/吨水；由热泵加热所需费用次之为3.746元/吨水；由电加热所需费用最高为7.44元/吨水，因此，采用电加热方式不予考虑。

改造方案按四个时段考虑，即：①夏季的6月中—9月中，此阶段不对生活热水加热，由地热水直接向用户供给，以90天计算；②春、秋两季，由热泵加热生活用水，温度在45—48℃之间，为145天；③冬季由供暖锅炉通过板式换热器将生活用水加热到48—50℃，时间为130天。

为保证热水管网在停止供水时期的压力和管网不发生锈蚀，可在原有三台热水泵之间再增加一台循环量较小，功率较低，但必须能保证管网压力的循环泵，使管网始终处于有压和非静止状态。

上述方案又可分三种情况向用户提供生活热水：

（1）连续24小时提供热水。

（2）周一至五，白天连续14小时（早6：00—晚8：00）；

周六、日连续24小时。

（3）周一至五，分段间歇（早5：00—8：00；下午5：00—晚11：00）；

周六、日连续24小时。

6 热泵的工作原理及投资改造费用

热泵的工作原理：对出水温度为42℃的井水，通过热泵加热到50℃供给用户，回水40℃，温降10℃，利用容量为50吨的高温水罐贮存加热后的热水。设加热时间为4小时，即通过热泵把42℃的地热井水加热到50℃并贮存在高温水箱内，以备用户使用。采用原设计中另一水箱作为此热泵系统中热源，即为热泵蒸发端。

高温水箱的回水管路与低温水箱进口相连接，以补偿低温水箱水量减少；同时井水出口管路也与低温水箱相连，以防止高温回水水量不够补偿低温水箱排水时导致低温水箱温度过低，而使机组效率降低。另在低温水箱底部设置温度控制器，当水温为25℃时，控制器的控制阀打开排水。机组冷凝端入水温度42℃，出水温度50℃；蒸发端入水温度40℃，出水温度25℃。

热泵及生活热水系统原理图

表3 Bitzer半封闭活塞压缩机6F——50.2Y

表4 投资改造费用

7 生活热水参数确定

生活热水温度： 42—50℃

生活水泵循环量： 40—80m3/h

生活变频水泵定压值： 4.0kg/cm2

系统回水控制温度： 40℃

8 小区生活热水每年运行费用

8.1 改造前运行费用：

深井泵平均实际开采量：28m3/h；生活水泵平均循环量：48m3/h

表5 现阶段全年生活热水各种费用一览表

8.2 小区生活热水通过热泵提高水温的年运行费用：

（1）、连续24小时向用户提供生活热水的运行费用：

深井泵平均实际开采量：13m3/h；生活水泵平均循环量：40m3/h

假设：以6吨水/（月.户）计，866户全年耗水62352m3；热泵蒸发端排放5.45m3/h；热泵消耗功率为32.6kW。见表六

表6 改造后方式（1）全年运行费用一览表

（2）、周一至五，白天连续14小时；周六、日连续24小时供给生活热水的运行费用：

周一至五：深井泵平均实际开采量：18m3/h；

生活水泵平均循环量：50m3/h

方式（2）与方式（1）相比，全年将节省地热开采3430吨；节煤47吨。见表七

表7 改造后方式（2）全年运行费用一览表

（3）、每周一至五，分段间歇；周六、日连续24小时供给热水的运行费用：

运行方式：早5：00—8：00，只运行一台15kW循环泵。

深井泵平均开采量：25m3/h；生活水泵平均循环量：50m3/h。

下午5：00—晚11：00，运行两台热水循环泵，一台工频一台变频。

深井泵平均开采量：35m3/h；生活水泵平均循环量：80m3/h。

热泵：提前4小时加热罐内水温。

方式（3）与方式（1）相比，全年将减少地热开采4800吨；节煤59吨。

见表八

表8 改造后方式（3）全年运行费用一览表

9 小区生活热水改造方案的各种运行方式比较

表9 各种运行方式经济比较一览表

由上表看出：方案（3）全年运行费用最低，初投资回报时间最短，收回改造成本费用仅需一年时间。

显而易见，热泵不仅能提高生活热水的供水温度，也使循环回水得以充分利用，且减少地热开采量。因此，热泵是解决低温地热水温度偏低、降低运行成本、减排增效之理想设备。