地热能与水源热泵的联合开发应用

王燕付苗苗

（1.华北油田技术监督检验处；2.华北油田供水供电服务中心）

华北油田某供热中心在2014年结束由小型燃煤锅炉为矿区集中供暖的现状。该供热中心有两眼优质自喷地热井，一采一灌，出口温度105℃，出口压力0.30MPa，流量65m3/h。结合矿区新建小区面临采暖的契机，采用换热联合热泵进行地热能的梯级开发利用，满足12×104m2新建小区的采暖需求，同时为绿色低碳发展之路辅以绵薄路石之力。

1 设计方案

新建小区采暖面积12×104m2，以高层建筑为主，除部分一楼商户外均为居民住宅，末端采用地板采暖，分成高、低区供暖。根据当地气候条件和设计规范[1]，设计热负荷为45W/m2，供暖总热负荷5400kW；现有地热井井水出口温度105℃，考虑管道输过程热损失，可利用的温度为100℃，流量为65m3/h，地热利用后的回灌温度需在27℃以下。如果单纯利用直接换热作为最终的利用形式，回灌温度最低为45℃左右，远满足不了小区热负荷要求，因此需要对地热能进行梯级利用，利用热泵技术对45℃的低品位热能继续提取，以满足小区热负荷需求。

经需求分析后，制定出了对地热能进行梯级利用的设计方案，采用换热加水源热泵的形式对地热能深度利用。首先地热水经过一级板式换热器（负责高区供暖）；一级换热后的尾水进入二级板式换热器，二级板式换热器二次侧连接水源热泵蒸发器，热泵负责低区供暖。系统配置了PLC系统，可实现自动化控制。

方案流程如图1所示，地热来水经过三通阀一支进入一级板式换热器，一级板式换热器一次侧出水（设计45℃）汇同三通阀另外一支地热来水一并进入二级板式换热器，地热水经二级板式换热器后回水回灌地下（设计15℃），二次侧与热泵蒸发器完成热量交换。一级板式换热器为高区供暖，热泵则为低区供暖。此设计充分提取地热潜能，设计最终回灌温度是15℃，既能满足当前小区采暖的热负荷又可充分保证水源热泵的实际COP处于较高值，有效降低水源热泵电能消耗。

图1 小区供暖方案流程图

2 存在的问题

按照设计，项目如期竣工并投运，但在应用中却发现了问题，导致热泵机组无法安全使用。

1）热泵蒸发器冷冻水（井水）入口温度偏高存在安全隐患。为充分利用地热能，设计了地热井来水三通阀，目的是在满足一级板式换热器供热负荷时将富余的少量高温地热水直接引入热泵蒸发器，以提高热泵实际COP。然而在实际应用中，由于供暖初期小区热负荷需求较低，100℃的高温地热水混入导致热泵蒸发器冷冻水（井水）入口温度过高，特别是在热泵冷凝器出水达到设定温度压缩机停机后，高温冷冻水会导致热泵压缩机内工质（R22）压力升高，超过安全压力致使安全阀打开，从而发生安全事故。

2）保证热泵蒸发器冷冻水（井水）入口温度前提下，高、低区供热负荷相互矛盾。为避免蒸发器冷冻水入口温度过高，需将三通阀去二级板式换热器分支关闭或调至极小，但这样操作会带来高、低区热负荷相互矛盾的问题。由于一、二级板式换热器的串联运行设计，尤其是在供暖初期，满足一级板式换热器（高区供暖）热负荷的地热水流量满足不了水源热泵（低区供暖）蒸发器热量需求，导致蒸发器冷冻水出口温度过低，无法满足低区供暖需求，为满足蒸发器热量需求只有将高温地热井水部分引入二级板式换热器，但事实证明这一小部分流量的引入极有可能引发安全事故；相反，如果保证了热泵蒸发器热量需求，则会导致高区供暖负荷过大，此时供暖温度高达60℃，超出地板采暖温度范围。

3 改造方案

上述问题的产生主要是因为采暖初期的室外平均温度远高于建筑物热负荷计算中的采暖室外计算温度值，加之相对保守的设计热负荷，在气温相对较高的采暖初期或末期，问题更加明显，严重影响了正常供暖。针对现状，改造的思路应着眼于工艺和安全保证两个方面。

根据初期运行采集的数据，经设计部门重新核算，采暖初期高区、低区直接利用换热也能满足采暖负荷要求。因此对供暖工艺进行了改进，改进后的方案流程见图2。

图2 改进后的方案流程图

改进后，在气温相对较高的供暖初期和末期用板式换热器换热后直接供暖，热泵暂时停运。此时，打开阀门1、2、3，关闭阀门4～8，构成一级、二级板式换热器的并联运行，分别为高区和低区供暖，各供暖负荷分别由电动三通阀A和B调节；气温较低单靠换热满足不了小区采暖负荷时，关闭阀门1、2、3，打开阀门4～8，启动热泵，继续提取地热能。

相比初始方案增加了三通阀B，其目的是满足一级、二级板式换热器灵活调节负荷的需求；增加了安全系数，当热泵运行至设定负荷压缩机停机时，可由PLC系统自动关闭三通阀B去二级板式换热器分支通道，防止高温地热水的混入导致热泵压缩机工质压力骤升而出现安全事故，当压缩机再次启动后，再自动恢复该分支流量以满足热泵蒸发器侧热量需求，保证COP值始终在4.0以上。

4 实施效果

优化方案实施后，经一个多月的初步运行，采暖前期采用两级板式换热器并联运行的方式运行平稳，用户室内温度平均19℃以上，供暖效果理想。同时，地热能的优势凸显，加之方案优化后，热泵实际运行时间远小于原设计时间，按目前参数测算，热泵仅在寒冷期运行20天左右，能耗大幅度降低，同上一采暖期燃煤锅炉供暖相比，煤电消耗对比见表1。

表1 2种供暖方式煤电消耗对比

对比运行地热加热泵与运行燃煤锅炉的供暖方式，单位能耗显著下降。采暖面积为12×104m2小区，每个采暖期可减少燃煤消耗1800t（标煤），减少CO2排放4500t左右，无论是经济效益还是环境效益都非常可观，达到了绿色供暖。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ26—2010严寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京:中国工业出版社,2010.