吸收式热泵在地热水梯级利用的应用

李晓旻

【摘要】本文分析了吸收式热泵在地热水梯级利用方面的应用方式，比较了吸收式热泵与电力压缩式热泵的特点，相对电力压缩式热泵，用吸收式热泵来做为地热梯级利用的热泵设备，具有单机容量大、运行工况广、负荷调节性能好、一次能源利用效率高、运行成本低、使用寿命长、维护简单方便等优势。

【关键词】地热资源；吸收式热泵；地热水；梯级利用

Abstract： in this paper， analysis of the absorption heat pump applications in the geothermal water cascade utilization， compared the absorption heat pump and electric pump， the relative electric compression type heat pump， with absorption of heat as a heat pump equipment， geothermal energy cascade utilization， with unit capacity， operating conditions， load regulation performance， wide a high energy efficiency， low operation cost， long service life， maintenance is simple and convenient advantages.

Keywords：Geothermal resources Gbsorption heat pump Geothermal water Cascade utilization

一、地熱资源

作为绿色的清洁能源和可再生能源，地热能已纳入“十二五”能源规划。国家计划在十二五期间，将完成地源热泵供暖（制冷）面积3.5亿平方米。

由于城市建设的快速扩张，原有市政供热系统已远远不能满足需要，因此，在远离市政热源的城市周边地区，深层地热广泛应用于住宅和公建采暖。1800m以上的深层地热水温度一般在50℃～90℃之间，65℃以上可以直接用于散热器采暖，50℃～65℃可以用于空调末端采暖，40℃～50℃可以用于地板采暖，经过上述利用后，地热尾水温度一般在40℃以上。

由于地热水资源有限，回灌困难、打井成本高风险大，国家对地热资源的开采利用有严格的管制。因此，有必要对地热尾水进行梯级利用，使地热水回灌温度达到10℃以下，达到减少打井数量、充分利用地热资源的目的。

二、地热水梯级利用流程图

1.低温地热的梯级利用

图1所示为低温地热梯级利用在酒店供热中的应用流程图。一级直接利用板换将60℃的地热水换成55℃的生活热水，二级、三级分别利用燃气或蒸汽吸收式热泵将50℃和26℃的低温地热尾水的热量提取后，提供60℃的空调热水。从图中可以看出，因地热尾水温度即吸收式热泵的低温热源水温度不同，两级吸收式热泵的能效比略有差异，第一级热泵COP为1.75，第二级热泵COP为1.6，两者相差不大，只有8.6%。同时，吸收式热泵的热力系数在冷凝温度（热水出水温度）和蒸发温度（低温热源进水温度）之差增大时，它的变化幅度比压缩式热泵的热力系数小。所以，在环境温度下降或用户需热温度提高时，吸收式热泵的供热量变化不如压缩式热泵那样敏感。

2.中温地热水的梯级利用

图2所示为中温地热梯级利用在区域住宅供暖中的应用流程图。一级、二级直接利用板换将地热水换成75℃散热器采暖热水和50℃地板采暖热水，三级、四级则通过燃气或蒸汽吸收式热泵机组提取地热尾水热量，提供75℃散热器采暖热水，使地热水最终回灌温度达到10℃，地热资源得到充分利用。

三、吸收式热泵选型

1.根据驱动热源不同（蒸汽、热水、烟气、天然气），可以分别选用蒸汽型吸收式热泵、热水型吸收式热泵、烟气型吸收式热泵、直燃型吸收式热泵。

2.根据采暖热水温度不同选用单效吸收式热泵或双效吸收式热泵。当采暖热水温度为45℃～95℃时，选单效吸收式热泵，采暖热水温度≤45℃时，选双效吸收式热泵。

3.吸收式热泵机型的大小应根据热负荷大小、低温热源以及热水进出机组的温度来计算确定。一般一座热力站吸收式热泵机组不宜少于二台。

四、吸收式热泵的特点

相对传统锅炉或电力压缩式热泵机组，吸收式热泵机组具有以下特点。

1.一次能源利用效率高：单效吸收式热泵热力系数COP=1.6～1.8，双效吸收式热泵热力系数COP=2.2～2.5。即消耗一份中高品位的热能，至少可以产生1.6～1.8份的有用的中温热能，比烧锅炉或直接用高温热源加热采暖热水，一次能源利用效率提高60%以上。在相同制热量的条件下，较电力压缩式热泵节能30%左右。图3为不同类型机组一次能源利用效率比较图。

2.热水出水温度高：吸收式热泵机组最高出水温度可达95℃，能满足远距离大型区域供热需求，而电力压缩式热泵的出水温度一般在50℃左右，供一座楼的采暖或空调还勉强能满足需求，对几十万上百万平米的区域建筑供热，这个温度就明显偏低了。并且吸收式热泵热水出水温度高低对机组的运行工况影响不大。而电力压缩式热泵机组冬季机组处于供热状态时，在热水出水温度在40℃～50℃时运行较好，超出这个范围，压缩机排气温度也随之升高，排气温度过高使压缩机油品质劣化，导致压缩机寿命降低，机组运行工况明显恶化，能效比迅速降低，因此，电力热泵的应用范围有限，仅适合于地板采暖等低温供暖区域。目前也有中高温压缩式热泵机组出现，但运行的经济性随着热水出水温度的提高大幅下降。

3.单机容量大：目前国内先进厂家利用模块化生产技术，克服了大型机组体积大运输困难，真空部件需在用户现场焊接组装而使产品质量得不到保证的难题，能生产单机最大制热量达56MW的大型吸收式热泵机组，单台机组最大供热面积达100万平米以上，可以满足大型区域供热需求，而电力热泵单机目前最大只能做到5MW左右。

4.变工况变负荷运行性能好：吸收式热泵是一个真空換热设备，具有良好的负荷跟踪能力和出色的低负荷节能特性，使能源消耗随负荷的变化而变化，使运行费用大大降低。吸收式热泵的低温热源温度范围在15℃～50℃之间，中温出水温度在45℃～95℃之间，负荷调节范围5%～100%，其应用范围要比电力压缩式热泵大得多。并且，吸收式热泵机组在变工况运行时，对能效影响不大。

5.使用清洁能源和环保冷媒：吸收式热泵可以使用废蒸汽、废热水以及清洁能源——天然气作为驱动能源，驱动能源选择范围广泛，可以节省电力投资。同时吸收式热泵使用无毒无害的溴化锂溶液作为冷媒工质，对臭氧层无破坏，排放无污染，对环境友好。

6.维护管理方便：吸收式热泵是一个换热设备，运转部件很少，维护管理简单，使用寿命长达30年以上。

五、初投资及运行费用分析

1.初投资

吸收式热泵机组设备投资普遍高于电力压缩式热泵机组，其中蒸汽型吸收式热泵机组价格是电力压缩式的1.5倍左右，直燃型吸收式热泵机组价格则是电力压缩式热泵的2倍左右。

2.运行成本分析

以电力价格1元/kwh，天然气气价3.0元/m3，热值10kwh/m3，电力压缩式热泵COP=3.5～4.5，吸收式热泵COP=1.7～2.3，为计算依据。则：

吸收式热泵供热能源成本：3.0÷（17～23）=0.18～0.13元/kwh；电力压缩式热泵供热能源成本：1.0÷（3.5～4.5）=0.29～0.22元/kwh。吸收式热泵运行成本比电力压缩式热泵低35%以上。

3.投资回收周期

以供热能力为16MW的热力站为例，电力压缩式热泵的投资约为720万元，每个供热季的能源成本约为820万元；燃气吸收式热泵的投资约为1550万元，每个供热季的能源成本约为530万元。

燃气吸收式热泵比电力压缩式热泵多出的投资静态回收期约2.9年。

结语：

地热水是宝贵的自然资源，必须最大限度加以利用。提高地热资源利用率、保护地下水资源的最好方式是对地热能进行梯级利用。

过去地热水的梯级利用过程中，大量采用的是电力压缩式热泵技术，并且也取得了一定的成效。在吸收式制冷技术已十分成熟的今天，利用与吸收式制冷相同原理生产的吸收式热泵来做为地热梯级利用的热泵设备，具有单机容量大、运行工况广、负荷调节性能好、运行成本低、使用寿命长、维护简单方便等优势，将越来越广泛应用于地热梯级利用工程中。

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