地热水梯级利用方式的舒适性和经济性分析

中国建筑设计研究院 ■ 曹荣光

天津城建大学 ■ 李宪莉

中国地铁工程咨询有限责任公司 ■ 董书芸

一 前言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，世界各国对能源的需求也越来越多。根据世界能源委员会(WEC)报告，全球三大常规能源急剧匮乏，价格急剧上涨。同时，大量使用煤炭、石油等常规能源也带来了全球变暖、酸雨等环境污染问题。因此，可再生能源的开发和利用被放在突出位置[1]。地热能是一种清洁可持续利用的能源，我国有着丰富的地热资源。目前，在我国已兴起地热直接利用的新高潮，尤其在高纬度较寒冷的三北(东北、华北、西北)地区，地热水的开发力度加大。这项工作的开展，不仅有效利用地热资源，取得明显的经济效益，而且减少了大量有害物质的排放。但是，由于过去我们缺乏规模开发的思想和技术准备，对中低温地热能利用持较消极的观念，再加上大部分地热被用于洗浴、游泳池、水产养殖以及农业，因此地热事业的发展明显滞后[2]。同时，在开发地热能的过程中，热流体中所含的各种气体和悬浮物将排入大气中，对周围环境造成影响。地热水中还含有对环境有益和有害的常量、微量及放射性成分，并且排放温度大都在40℃左右[3]。这样，地热利用一定程度上增加了环境污染，且破坏了地热资源。因此，全面考虑低温地热水的利用至关重要。水源热泵可实现低位热能向高位热能转移，能回收地热尾水的热量，并利用地热盘管作为末端进行供热。目前，热泵和地板辐射采暖得到很好的普及，这为利用地热尾水进行供暖提供了良好的设备支持。

本文提出地热水梯级利用方案，即温度较高地热水先进入散热器散热，温度降低后再进入水源热泵的蒸发侧，温度降至一定程度后回灌；水源热泵冷凝侧得到较高温度热水进入末端地热盘管放出的热量；这样，地热水可用温差增大，排放温度降低，以达到节约能源与保护环境的双重效益。

二 梯级利用方案

地热水梯级利用方式如图1所示，具体流程为：地热水由地热井抽出后，经过一次网送至各个用户端，在原有铸铁散热器散热后，汇集到各个热泵机房，由热泵再次提取热量，温度降低后排放。水系统包括一次网系统和二次网系统，其中，一次网系统是开式系统；二次网特指水源热泵机组负载侧的水系统，经过二次网把机组制出的热水送至各个用户端，经过末端地板辐射系统散热后，再次回到机组，形成闭式循环。

该梯级利用方案采用低温热水地板辐射采暖，比散热器对流采暖规定的房间平均温度可降低1～3℃，且温度沿高度方向均匀分布，房间上部温度升高所增加的无效热损失减少，节省了采暖能耗。另外，该系统可实现三种供暖运行模式：在供暖初寒期和末寒期，室外温度较高时，可仅采用散热器供暖以满足用户的温度要求，即地热水经过散热器散热后直接从旁通管回灌；随室外温度降低，仅靠散热器不能满足用户需求时，采用散热器与地板辐射串联的供暖方式，散热器的回水直接进入地板辐射盘管，两种散热设备同时向用户提供热量；当室外温度继续下降，这种模式也未能满足要求时，开启水源热泵，利用水源热泵制出的热水供给地板辐射盘管，提高地板辐射盘管的散热量以满足用户要求。采用这三种供暖运行管理模式，可充分利用低温地热水这种低品位能源，从而节省高品位能源的电能。

三 舒适性分析

一般情况下，地板辐射采暖能保证沿高度方向3m以内温度分布均匀，有利于避免或减少由于寒冷产生的各种疾病[4]。而在大空间内采用地板辐射采暖系统能否在其上部空间满足温度要求，是本文研究的内容。为此采用Airpak模拟软件对天津市动物园的长颈鹿馆的采暖效果进行模拟。

1 模拟分析

(1)物理模型

如图2所示，长颈鹿馆的馆舍几何尺寸较大(22.5 m×14.5 m×7m)，属于供暖过程中最不利的情况，因此选择长颈鹿馆作为模拟和测试的代表。

(2)数学模型

CFD技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析[5，6]。本文研究的为紊流的三维稳定流场流动问题，基于空气紊流特性的微观解析，利用Airpak软件，采用Launder及Spalding等提出的一种平均湍流能量模型即标准k-ε双方程湍流模型求解方程组。

控制方程如下：

①质量守恒方程(连续性方程)质量守恒方程如式(1)所示。

对于不可压缩流体可简写为：

②动量守恒方程

式中，µ为动力粘度；I为单位张量；等式右边第二项反映体积膨胀的影响。

③ 能量守恒方程

对于流体区域能量方程可用显热焓h表示，表达式为：

式中，k为分子电导率；kt为紊流传递形成的电导率，；Sh为源项，所定义的任何体积热源；，Tref为298.15K。

对于固体区域，则是一个包括传导热流和固体内部体积热源的简单传导方程，如式（6）所示。

边界条件：

b.对于低温地板采暖房间，在稳定传热条件下，室内热平衡表达式为：

式中，qf为围护结构内表面净辐射换热量，W；τn为围护结构内表面温度，℃；F为围护结构面积，m2；Rn为围护结构内表面对流换热热阻，(m2·℃)/W；R0为围护结构总热阻，(m2·℃)/W；α为温差修正系数。

(3)模拟结果与分析

图3为模拟地板表面的温度分布，从图中可看出，在动物活动的外围，温度基本低于24℃，而在靠近外墙和外门的地方，部分温度低于20℃。在动物活动区的温度基本在27℃以上，能满足动物冬季采暖需求，不会出现由于地面温度低而导致动物不适的情况。图3还显示在房间中心地带温度明显高于其他部位，这主要是分布在周边散热器在空间形成涡流而造成的。

房间中心位置在垂直方向的温度分布如图4所示，在靠近地面2m以内温度变化较大，在2m以上温度分布较均匀。

常规地板辐射采暖房间在垂直方向的温度分布一般在0.5m以上就较均匀了，本文的模拟结果之所以出现这种情况主要是由于房间面积较大，高度约为7m，属于大空间建筑，周围散热器的作用使得在3m以下范围内房间温度波动较大，但在空间上部温度分布十分均匀，这样的温度分布对长颈鹿来说是舒适的，因为长颈鹿较高大，上部温度稍低，长颈鹿的躯干基本在2～3m的范围。由模拟结果显示地板辐射采暖在大空间内能满足要求。

2 实验研究

(1)测试仪器

本测试所用的测试仪器主要为干、湿球温度计，美国fluke公司生产的数据采集系统(图5)，热电偶等。

(2)测试结果与分析

① 地面温度分布曲线

图6为在不同位置的地板表面纵向温度图，从图中可以看出，温度的分布呈明显先升后降趋势，在房间中部地面温度达到最大。为使选取测点具有代表性，选取的x=2.65m和x=5.3m处分别为外门正对和靠近门的地方，受冷风渗透的影响，地板表面温度明显低于房间中央温度；在靠近外门处地面温度明显偏低。

从实测结果可以看到，地面温度基本保持在23℃以上，最高实测值为28.67℃。

② 空间温度分布曲线

图7和图8分别是测试房间垂直方向的平均温度分布曲线和任取某一点垂直方向的温度分布曲线。

从图中可以看出，无论是整个空间同一高度的平均温度还是某一点在垂直方向的温度其分布是相似的。在靠近地面0.2m内，温度梯度较大，然而在整个空间内温度梯度变化较小，约在2.5～3.0m的范围内温度达到最大，然后趋于平缓，整个房间温度维持在20℃，从实测效果来看完全满足实际采暖需要。高度2.5～3.0m范围内温度稍高，这是由于散热器的传热主要是对流散热，热气流上升，使上部空间温度明显高于下部，而在大空间范围内，散热器的散热量不占主导地位，且散热器进出口温度要比常规散热器采暖温度低，所以随着高度的增加，散热器的作用逐渐减弱，在上部空间温度分布又趋于稳定。

③ 模拟值和测试值的比较

从图9可清楚地看出无论模拟结果还是实测结果均能满足实际要求，房间内温度都在18℃以上。图中测试值高于模拟值，经分析认为这主要是由于在实际运行时，房间门窗外侧有挡风棉被和塑料布遮挡，使得房间热负荷减小。温度分布的模拟值和实测值能很好地吻合，从而说明地板辐射采暖在高大空间中应用效果能满足实际需要。

四 经济性分析

天津市动物园始建于1975年，历经5年精心建设，于1980年1月1日正式开放。原有供热工程采用3台4t/h燃煤锅炉制出85℃/60℃的热水和四柱760型铸铁散热器进行供暖。随着动物园的不断发展，供热负荷逐渐增加，现有管网的承载能力已达到极限，同时由于使用时间较长，管网腐蚀情况严重，维修管理费用逐年增加。为支持天津市“蓝天工程”，保护环境，结合现有资源，决定采用清洁地热能源进行供热，供热面积共计9093.8m2。动物园原有地热井一口，井深1000m，出水温度45℃，水质较好。针对该工程，有关部门提出两种方案：

1 混水方案

在地热水进入蒸发器前与机组回水混合，以降低进水温度。如图10所示，45℃地热水和10℃的热泵机组排水在热泵机组进口处混合至33℃左右后进入热泵，温度降至10℃回灌。机组制出的热水通过外网输送到各个馆舍，末端采用地板辐射或风机盘管供暖。由于原有管网设计供回水温差为25℃，而改造后的温差为5℃，所以水流量加大，导致原有管网管径不能满足要求，需更换。

2 地热水梯级利用方案

如上所述，地热水经过散热器降温后，再进入热泵机组供热泵提取热量。此方案可利用原有管网作为一次管网，仅需增加二次管网。

工程造价是指进行某项工程建设所花费的全部费用，它直接决定方案的可实施性，表1从机组、水泵、管网、末端设备造价等方面对两种方案进行了经济性比较。

表1 两种方案的工程造价对比

从表1可以看出，采用梯级利用方案的工程造价低、经济性好。

五 结论

(1)随着能源危机的加剧和传统能源价格的升高，地热尾水排放温度高已成为一个突出问题。利用热泵回收地热尾水中的热量进行供热，可进一步提高地热能的利用率，同时使地热水的排放温度降低到环保要求，具有较好的经济效益和环境效益。

(2)结合实际工程，利用Airpak软件和实验测试研究了高大空间的热舒适性，通过分析得出地板辐射采暖的可行性和优越性，并从经济角度分析了梯级利用方案的优越性。

[1] 毛业斌.水源热泵及其应用前景[J].机电设备, 2005, 22(1): 29－32.

[2] 祖伟.天津市地热资源利用现状和发展对策[J].国土与自然资源研究, 2000, (3): 23－24.

[3] 王海霞.地板辐射采暖传热性能的研究[D].天津: 天津大学,2003.

[4] 宋国军.水源热泵机组水源侧串联运行特性研究[D].天津: 天津大学, 2005.

[5] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M] .西安: 西安交通大学出版社, 2001.

[6] Srebric J , Chen Q Y, Glicksman L R.Validation of a zeroequation turbulence model for complex indoor airflow simulation[J].ASHRAE Transactions, 1999, 105(2): 414－427.