基于地熱梯級利用供熱系統(tǒng)運行策略的研究

李強

（中煤水文局集團（天津）工程技術(shù)研究院有限公司，天津300000）

我國有著較為廣泛分布的地熱資源，與此同時還有著良好的開采條件，但是在進行開發(fā)利用的過程中仍存在技術(shù)方面的局限性，所以導(dǎo)致我國廣泛面臨著地熱資源浪費嚴重的現(xiàn)象?；诖?，有必要強化開展對于地熱梯級利用供熱系統(tǒng)優(yōu)化運行策略的深入分析，進而切實保障工程對于地熱資源的利用效率，真正落實可持續(xù)發(fā)展的目標。

1 工程案例

我國某地區(qū)所開展的供熱工程主要采用的是地熱梯級利用供熱工藝，設(shè)計進行地熱井的開采，其實際的開采量是125m3/h，出水溫度則為80℃。一級利用在經(jīng)過換熱器換熱之后便向用戶直接進行熱量的供給，其水溫降到中間溫度上，接下來再采用熱泵技術(shù)對換熱后的熱水熱量進行提取，并向地熱用戶進行再次的供給，當完成降低地熱尾水溫度之后便進行回灌排放。該系統(tǒng)建成之后預(yù)計能夠在冬天完成對于20 多萬平方米住宅的供熱工作。

2 基于地熱梯級利用供熱系統(tǒng)運行的優(yōu)化途徑

2.1 控制方案

2.1.1 控制原則。因為地熱梯級利用供熱系統(tǒng)本身具有一定的復(fù)雜性，所以為了能夠切實保障其平穩(wěn)運行，務(wù)必要嚴格遵循以下幾方面的控制原則：首先，應(yīng)當在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上盡可能提高地熱資源的利用效率，并最大限度實現(xiàn)對于輔助加熱系統(tǒng)能量的節(jié)約。當熱負荷變小的時候，需要降低當前的輔助加熱量。而當出現(xiàn)熱負荷大幅度降低的情況之后，工作人員需要對熱泵機組進行逐級關(guān)停，并逐漸減小地熱水的流量。若是將熱泵機組關(guān)停之后，地熱水難以同供熱負荷需求相符合的時候，工作人員要開展對于熱泵機組開啟以及輔助加熱系統(tǒng)之間經(jīng)濟性的對比工作，進而實現(xiàn)對于最佳運行模式的確定[1]。某種地熱梯級利用供熱系統(tǒng)如圖1 所示。其次，應(yīng)當確保熱泵機組有著最佳的工作效率，結(jié)合熱泵機組運行的實際特性以及熱負荷需求等多方面影響因素，對機組開啟的運行策略進行明確。最后，應(yīng)當注重使用質(zhì)量并調(diào)的調(diào)節(jié)方式，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進一步降低輸配能耗，主要是通過對于地熱潛水泵以及各級循環(huán)水泵等變頻控制，在負荷與位數(shù)排放條件的基礎(chǔ)上針對水泵進行變頻，再經(jīng)過多方程的聯(lián)合運算，得到最優(yōu)流量。

2.1.2 控制目標。其具體的控制目標為通過優(yōu)化運行方式最大限度降低機組的系統(tǒng)總能耗，在同相關(guān)約束條件相適應(yīng)的基礎(chǔ)上，對各項能耗指標進行優(yōu)化調(diào)整，可以通過下列公式進行表述：

圖1 某種地熱梯級利用供熱系統(tǒng)

在該公式中，F(xiàn)(x)代表的是優(yōu)化目標函數(shù)，而f(x)則主要指的是建立于質(zhì)量和能量守恒關(guān)系基礎(chǔ)上的穩(wěn)態(tài)模型方程式，h(x)為約束方程，主要是出于對于安全因素以及性能參數(shù)的考慮。對于系統(tǒng)整體的優(yōu)化控制來說，需要工作人員從整個系統(tǒng)層面著手，對相應(yīng)的優(yōu)化目標和優(yōu)化約束條件進行確定，然后在此基礎(chǔ)上得出最終結(jié)果。系統(tǒng)整體的動力部件主要涉及到各種水泵的輸配能耗以及水源熱泵機組的壓縮機功率，其所選用的目標函數(shù)如下所示：

該公式中，Nh代表的是熱泵機組所具有的實際功率，而Nw則表示的是循環(huán)水泵輸配能耗的功率，Nt代表著系統(tǒng)調(diào)峰功率。在系統(tǒng)優(yōu)化模型方面主要使用最基本優(yōu)化的數(shù)學方法，具體指的是事先給出優(yōu)化參數(shù)的特定取值范圍，然后在這一范圍當中進行優(yōu)化目標系統(tǒng)能耗值的逐個計算，并對大小進行比較，最終選擇那個能耗最小的參數(shù)值，在計算的過程中進行求解系統(tǒng)總能耗。

2.2 優(yōu)化策略

供熱系統(tǒng)流程主要是分三級進行利用，地熱水需要先通過第一級板式換熱器加熱散熱器采暖的回水溫度，進而使得散熱器采暖系統(tǒng)的供水溫度能夠同不同室外溫度下的供水溫度相適應(yīng)。將以及板式換熱器的出水同一側(cè)的旁通管道的水流進行混合，然后進入到二級板式換熱器當中，二次側(cè)的地板輻射采暖系統(tǒng)的部分回水將會同進入板式換熱器的地熱水進行換熱，與此同時還會對該部分回水溫度進行加熱，使其能夠與不同室外溫度下所相對應(yīng)的供水溫度相一致。接下來便能夠經(jīng)過熱泵機組對該部分熱量展開相應(yīng)的提級利用工作，切實保障熱泵機組的出水溫度能夠同不同室外溫度下所應(yīng)有的供水溫度相適應(yīng)，進而向用戶進行供熱。

2.2.1 散熱器系統(tǒng)。散熱器系統(tǒng)是地熱梯級利用供熱系統(tǒng)運行的重要基礎(chǔ)部分，在進行優(yōu)化的過程中應(yīng)當嚴格從上文所述的控制原則出發(fā)，在保障其能夠同熱負荷需求相適應(yīng)的同時，對板式換熱器的一次側(cè)和二次運行流量展開優(yōu)化調(diào)節(jié)工作，進而高效達到降低系統(tǒng)輸配能耗的效果，與此同時減少地熱水原本的換熱量。為了能夠有效規(guī)避系統(tǒng)處在低負荷工況下產(chǎn)生“大流量，小溫差”的問題，對板式換熱器二次的水泵流量進行調(diào)節(jié)，結(jié)合系統(tǒng)水力平衡的相關(guān)要求來看，其最小流量應(yīng)當在系統(tǒng)總流量的60%以上。因此，基于綜合分析的相關(guān)結(jié)果，決定分別采用系統(tǒng)循環(huán)水量的60%、70%、80%、90%以及100%進行二次側(cè)條件，并使用逐步增加的方式。當具體開展循環(huán)水量調(diào)節(jié)的過程中，結(jié)合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)公式能夠?qū)Π迨綋Q熱器二次側(cè)的供回水溫度進行確定，然而對于系統(tǒng)水量的調(diào)節(jié)工作會在一定程度上對板式換熱器的換熱量造成影響，基于現(xiàn)有的供回水溫度的約束條件以及板式換熱器的熱量平衡方程能夠?qū)ζ涠壈鍝Q的循環(huán)水量進行確定，接下來再開展對于系統(tǒng)的熱力計算，明確熱水最小流量以及板式換熱器一次側(cè)的出水溫度。

圖2 散熱器系統(tǒng)室外溫度同供熱負荷之間的關(guān)系

經(jīng)過試驗可以發(fā)現(xiàn)，二級循環(huán)水量會根據(jù)室外溫度的實際變化情況從系統(tǒng)循環(huán)水量的60%開始變化，當室外的溫度處在-6℃的時候，應(yīng)當通過對現(xiàn)有的系統(tǒng)循環(huán)水量進行增加，以保障其能夠同系統(tǒng)的換熱需求相適應(yīng)。當室外的溫度相對來說較高，與此同時要在系統(tǒng)熱負荷比較小的時候進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)水量能夠在增加供回水溫差的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)輸配能耗的有效降低，當溫度在6℃以下的時候，室外溫度越低便會使得循環(huán)水量得到進一步增加。

2.2.2 地板輻射采暖系統(tǒng)。對于底板敷設(shè)采暖系統(tǒng)來說，其在供熱方面主要是發(fā)揮兩部分的作用，分別為來自二級板式換熱器的換熱，以及當換熱量難以同負荷需求相適應(yīng)的情況下，則會將燃氣鍋爐或者是熱泵機組開啟，以達到良好的供熱效果，經(jīng)過計算可以得出以下幾方面的優(yōu)化策略：當負荷仍處在相對較小情況的時候，將二級板式換熱器開啟進行換熱，那么負荷側(cè)循環(huán)水泵便會隨著室外溫度的變化，從60%處開始出現(xiàn)調(diào)節(jié)變化。當工作人員展開對于水源熱泵以及底板敷設(shè)采暖系統(tǒng)板式換熱器進行供熱量計算的時候，應(yīng)當結(jié)合室外溫度具體的變化情況，對負荷側(cè)循環(huán)數(shù)量展開優(yōu)化調(diào)節(jié)工作，綜合考慮能量守恒方程及其具體的約束條件，進而得出能夠滿足熱負荷需求的最佳地熱水循環(huán)水量[2]。一旦在負荷不斷增加過程中產(chǎn)生了板式換熱器的換熱量無法負荷系統(tǒng)熱負荷需求的時候，便應(yīng)當?shù)谝粫r間將水源熱泵機組開啟。工作人員在開啟水源熱泵機組的過程中應(yīng)當對針對負荷側(cè)進入板式換熱器和水源熱泵機組的水量進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以保障其可以充分滿足系統(tǒng)的熱負荷需求。當處在負荷率在70%的條件下，對于一次側(cè)的地熱水來說，其流量主要是根據(jù)室外溫度的變化情況而產(chǎn)生變化，而二次側(cè)的流量則是設(shè)計流量的60%左右。當處在負荷率在70%-75%之間的條件下，那么一次側(cè)的流量具體應(yīng)當是設(shè)計流量的70%，接下來在二次側(cè)開啟一臺熱泵機組，為了切實提升板式換熱器的換熱質(zhì)量以及效率，應(yīng)當將板式換熱器二次側(cè)的流量設(shè)定為設(shè)計流量的70%，熱泵機組的流量應(yīng)當是設(shè)計流量的30%。若是室外溫度在3℃以下，那么系統(tǒng)總的循環(huán)水量基本同設(shè)計循環(huán)水量相一致。與此同時，還要針對二級板換二次側(cè)同熱泵機組之間的循環(huán)數(shù)量比值進行調(diào)節(jié)，來達到保障供給熱負荷的效果。室外溫度以及二級板換循環(huán)數(shù)量占總水比之間有著一定的線性擬合關(guān)系，具體可以通過下列公式進行表示。

由此可見，當對外溫度出現(xiàn)下降的情況下，便會使得二級板換循環(huán)水量出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，與此同時，熱泵機組的循環(huán)水量也會得到不斷增加。當室外的溫度在5℃以下的時候?qū)膳_熱泵機組同時開啟，板換循環(huán)水量以及熱泵組循環(huán)水量在機組的總體水量中分別有著80%以及20%的占比。當室外的溫度在8℃以下的時候，將三臺熱泵機組同時開啟，此時的板換循環(huán)數(shù)量以及熱泵機組循環(huán)水量在機組總水量中分別有著60%以及40%的占比。在實際進行運行的時候，工作人員可以采取對以及板式換熱器的回水溫度進行控制的手段達到對于散熱器系統(tǒng)供暖負荷的優(yōu)化調(diào)節(jié)效果，在室外溫度不斷變化的過程中回水溫度所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律可以通過下列公式進行表示：

該公式中的x所代表的是室外溫度。

在上述公式的基礎(chǔ)上，工作人員可以利用氣候補償器的電信號起到對電磁旁通閥開度的控制效果，進而實現(xiàn)對于一級板式換熱器回水溫度的調(diào)節(jié)[3]。針對地板輻射采暖系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)熱負荷相對較小的情況下，可以采用對二級板換的一次和二次的循環(huán)水量進行調(diào)節(jié)的方式，開展對于負荷的調(diào)節(jié)工作，工作人員應(yīng)當綜合考慮具體的地熱水循環(huán)水量的需求，進而對地熱水的出水量進行確定，然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化選擇相應(yīng)的調(diào)節(jié)方式。在該系統(tǒng)當中，室外溫度同地熱水的循環(huán)數(shù)量之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，并呈現(xiàn)出特定的比例關(guān)系，所以應(yīng)當能夠通過氣候補償裝置，對具體的地熱水循環(huán)數(shù)量進行確定。

3 結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化提升地熱梯級利用供熱系統(tǒng)的運行效率，能夠切實保障地熱資源的利用效率，對于社會經(jīng)濟平穩(wěn)運行以及可持續(xù)發(fā)展有著積極的促進作用。基于此，務(wù)必要優(yōu)化應(yīng)用地熱梯級利用技術(shù)，最大限度減少環(huán)境污染以及資源浪費等問題，并達到資源的最優(yōu)配置效果。