地热温泉尾水梯级利用+水源热泵系统研究

地热是深藏在地下的可再生能源， 距离地面500m到3000m左右。一般以水的形式存在，水被地层中温度高的岩石层加热形成热水，热水的温度与所 在位置与地面的高度有关。一般来讲，深度越深， 水对应的饱和温度越高，地热水对应的温度越高，其温度可高达 110 ℃，目前地热水应用最广泛为温泉洗浴，其温度范围在 40~60 ℃之间，利用之后的热水在30 ℃以 上，其中大部分被直接排放掉，造成能量的极大浪费，同时温泉钻井的费用较高，也会造成回收年的延长。采用水源热泵系统对地热尾水进行梯级利用， 满足周 边地区供热需求，大大节省常规能源的消耗，减轻空气质量污染。

地热梯级利用的两个重要设备为耐腐蚀板式换 热器及热泵机组。换热器可以实现不同温度介质温度 的转移， 保证用户侧的实际用热需求。热泵技术是利 用地热能形成的低温热能资源， 采用热泵原理， 通过 少量的高位电能输入， 实现低位热能向高位热能转移 的一种技术。 地热水被水泵输送到地面以后首先进入温泉水 池， 水的温度一般为 60 ℃， 经过温泉水池后热水温度 降为 40 ℃。由于 40 ℃的高温水无法进入水源热泵的 蒸发器， 因此该热水先进入板式换热器， 换取更低温 度的热水使其进入热泵机组的蒸发器， 板式换热器一 次侧进出水温度为 40/25 ℃，二次侧进出水温度为 6/25 ℃。整个系统能量的梯级利用原理如图 1 所示。

从板式换热器一次侧出来的温泉水温度大约在 25 ℃。此时可以直接进入二级热泵机组的蒸发器， 其 温降为 10 ℃， 出水温度为 15 ℃， 然后在进入三级热泵 机组蒸发器， 提热后温度降为 5 ℃， 考虑到回灌难度较 大、 成本高， 此时温泉水可以直接排放。 一级、 二级、 三级热泵的冷凝器作为用户侧的高 温热源，向用户源源不断地统一供应 50/40 ℃循环热 水， 解决采暖需求， 热量的低温热源全部从热泵的蒸 发器中汲取。 原有温泉水热利用系统的温差仅为 20 ℃， 采用温 泉热水梯级利用之后， 系统的温差提高到 55 ℃， 相比 于原有系统可以增加热量利用 2.75 倍。

以山东某小区为例， 该地区供热温泉水温度可以 达到 60 ℃， 温泉水的水量为 75m 3/h， 未采用热泵系统进行能量梯级利用之前， 温泉水利用的热量计算公式 如下。

q =1.163*G*△t

式中： q 为温泉消耗的热量， kW； G 为温泉水的流量， m 3/h； △t 为温泉水温差， 20 ℃。 代 入 公 式 可 以 计 算 出 温 泉 消 耗 的 热 量 为 =1744kW。采用水源热泵系统进行梯级利用之后可以 进一步利用的供回水温差为 35 ℃， 提供的供热能力计 算公式如下：

式中： Q 为温泉热水梯级利用可以提供的供热量， kW； △t1 为板式换热器进出口温差，取 15 ℃； COP1 为一级 热泵的能效比； △t2 为二级热泵蒸发器的进出口温差， 取 10 ℃； COP2 为二级热泵的能效比； △t3 为三级热泵 蒸发器的进出口温差， 取 10 ℃； COP3 为三级热泵的能 效比；通过初步计算选择热泵及板式换热器的型号， 如表 1。

根据热泵机组的样本， 冬季热泵额定工况下的入 口水温为 15 ℃。供回水温差为 8 ℃。而在该系统中热 泵机组的入口温度为非额定工况， 为 25 ℃， 切供回水 的温差为 10 ℃， 因此需要根据机组的工况曲线图进行 修正， 机组变工况曲线如图 2。 根据变工况曲线图， 进入热泵机组的供回水温差 为 5 ℃， 热泵实际的出水温度为 60 ℃， 蒸发器的进水 温度为 15 ℃，查询曲线可得制热量的修正系数为136%， 输入功率修正系数为 73%， 则实际的机组设计 参数修正后如表 2。

为了更好地分析温泉尾水的经济环保效益， 将其与市政集中供热进行对比分析，集中供热收费按照26.7 元 /m2，建筑物累计负荷按照山东省居住建筑标 准进行估算为 12727 GJ。 通过计算对山东某小区温泉尾水采用梯级利用后， 可以取得良好的经济环保效益， 每年可以为 93000 m 2 建筑面积供热， 与集中供热系统相比， 水源热泵梯 级利用系统可以提供的供热负荷为 4185 kW，每年可 以节约标准煤为 506 吨，节省 53.9 万元，回收年限为 5.5 年； 减排 1261 tceCO₂， 37.9 tceSO₂， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉尘，节能环保效益非常显著， 最大限度地利用浅 层地热能中温泉水的余热资源，从一定程度上减少了 化石能源的消耗，同时对于环境污染能起到一定缓解。

温泉水中的热水属于地下浅层地热能的一种形式， 目前的热能利用仅限于洗浴， 大部分的热量被排放掉。如果增加水源热泵的梯级利用系统，将温泉水的尾水继续通过热泵进行梯级利用，可以为部分建筑供暖，就会减少常规能源的消耗。由于温泉直接排放的 热水温度较高， 无法直接进入热泵机组， 因此一级热泵需要增加中介水系统。中介水与温泉尾水通过板式换 热器进行热量交换， 结合实际的项目工程， 对热泵梯级利用系统与集中供热系统进行对比分析， 前者每年可 以节约标准煤为 506 t，节省费用 53.9 万元，减排 1261 tceCO2， 37.9 tceSO2， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉尘，经济回收期年限为 5.5 年， 节能环保效益显著， 同时对于环境 污染能起到一定的缓解。