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      基于中深層地埋管供熱技術(shù)的工程實(shí)例分析

      2021-12-31 02:39:42楊超張鵬飛賀云飛王俞舒段科鋒
      中國(guó)設(shè)備工程 2021年24期
      關(guān)鍵詞:熱源熱泵深層

      楊超,張鵬飛,賀云飛,王俞舒,段科鋒

      (西安灃東熱力有限公司,陜西 西安 710086)

      地?zé)崮苁且环N蘊(yùn)藏在地球內(nèi)部的清潔能源,主要來(lái)源于地球內(nèi)部放射性元素衰變、地球熔融巖漿以及太陽(yáng)能,其開(kāi)發(fā)前景十分廣闊,已成為21世紀(jì)能源發(fā)展中不可忽視的可再生能源之一。

      我國(guó)中深層地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)主要有地?zé)崴苯娱_(kāi)采、采灌系統(tǒng)平衡和中深層地?zé)岬芈窆軗Q熱等三種。地?zé)崴苯娱_(kāi)采是過(guò)去傳統(tǒng)的利用方式,目前已不提倡;采灌系統(tǒng)平衡是由開(kāi)采井、地面換熱設(shè)備和回灌井組成的閉式循環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地下熱水采灌平衡,不同地區(qū)和層位回灌率不同,大部分地區(qū)現(xiàn)有技術(shù)條件下回灌率較低;近年來(lái),中深層地?zé)岬芈窆軗Q熱技術(shù)的研究應(yīng)用,開(kāi)創(chuàng)了一種全新利用模式,解決了以往地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用中存在的問(wèn)題,也掀起了新一輪地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的高潮。

      1 中深層地?zé)岬芈窆芄峒夹g(shù)

      1.1 技術(shù)原理

      中深層地?zé)岬芈窆墁F(xiàn)有同軸套管式和U型管式兩種,本文介紹技術(shù)較為成熟,應(yīng)用廣泛的中深層地?zé)嵬S套管換熱技術(shù),該技術(shù)是以中深層地?zé)崮転闊嵩?,先通過(guò)鉆機(jī)向地下2~3km深處高溫?zé)釒r體鉆地?zé)峋诰畠?nèi)安裝一種密閉的同軸套管換熱器,利用換熱介質(zhì)在井內(nèi)形成閉式循環(huán)將地?zé)崮堋叭岵蝗∷睙o(wú)干擾交換,經(jīng)地?zé)釤岜脵C(jī)組溫度提升后由用戶側(cè)循環(huán)水泵和輸配管網(wǎng)為用戶提供供熱服務(wù)的新技術(shù)。中深層地?zé)嵬S套管供熱系統(tǒng)由地?zé)釗Q熱系統(tǒng)、地?zé)釤岜孟到y(tǒng)和室內(nèi)供熱系統(tǒng)三部分組成,原理如圖1所示。

      圖1 中深層地?zé)嵬S套管供熱技術(shù)原理示意圖

      1.2 技術(shù)特點(diǎn)

      (1)適用性廣。中深層地?zé)崮苁且环N分布廣泛、持續(xù)穩(wěn)定的可再生能源,該技術(shù)不受水文地質(zhì)條件的制約,不需地?zé)豳Y源勘探,鉆井位置選定比較靈活,施工場(chǎng)地及設(shè)備占地面積少。(2)綠色環(huán)保。不產(chǎn)生廢氣、廢液和固體廢棄物等任何排放,治污減霾成效顯著。(3)保護(hù)水資源。該技術(shù)通過(guò)中深層密閉地埋管與高溫巖體實(shí)現(xiàn)間接換熱,與地下水隔離,不抽取地下水,不使用地下水。(4)高效節(jié)能。中深層地?zé)崮苋隃囟确€(wěn)定,較淺層地?zé)崮軠囟雀?,單井換熱量大,可解決約1.3萬(wàn)~1.5萬(wàn)m2建筑供暖,供熱系統(tǒng)效率高。(5)安全可靠。中深層地?zé)峋畯叫。?00mm),深度在2~3km,對(duì)建筑本身及地基無(wú)任何影響,地下無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,無(wú)化學(xué)反應(yīng),系統(tǒng)穩(wěn)定,無(wú)安全隱患,可靠性高。(6)系統(tǒng)壽命長(zhǎng)。中深層地埋管外管采用J55鋼級(jí)套管,耐腐蝕、耐高溫、耐高壓,壽命與建筑壽命相當(dāng)。(7)無(wú)冷熱平衡問(wèn)題。該技術(shù)以2~3km中深層地?zé)崮転闊嵩矗哂谐掷m(xù)穩(wěn)定性,不需要考慮冬、夏季的冷熱平衡問(wèn)題。(8)經(jīng)濟(jì)效益低。初期投資大,投資回收期長(zhǎng),利潤(rùn)率低。(9)資源利用率低。由于中深層地?zé)崮軠囟雀撸荒茏鳛闊嵩从糜诙竟?,夏季制冷需另加冷卻塔等制冷設(shè)備,造成非供暖季地?zé)峋e置。

      2 工程實(shí)例分析

      2.1 工程概況

      該工程項(xiàng)目位于西安市西咸新區(qū)鎬五路,總建筑面積132438.30m2,供暖面積93385m2,設(shè)計(jì)了6口中深層地?zé)嵩淳鳛闊嵩?,井型為直井,井?500m,井間距15m,熱交換站采用2臺(tái)制熱量1600kW地?zé)釤岜脵C(jī)組,最大供熱能力3370 kW,設(shè)計(jì)供回水溫度50/40℃,設(shè)計(jì)壓力1.0MPa,末端采用地板輻射供暖方式,主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

      表1 無(wú)干擾地?zé)峁嵯到y(tǒng)主要設(shè)備表

      2.2 應(yīng)用分析

      2020年12月10日~12月31日進(jìn)行為期22天試運(yùn)行,開(kāi)啟2臺(tái)熱泵機(jī)組,用戶熱負(fù)荷70%。

      (1)熱泵機(jī)組和用戶側(cè)循環(huán)水泵開(kāi)啟前(用戶熱負(fù)荷為0),熱源側(cè)循環(huán)介質(zhì)靜止(超過(guò)3個(gè)月),地?zé)峋跍囟?8℃,熱源側(cè)循環(huán)水泵開(kāi)啟后,地?zé)峋诔鏊疁囟茸罡叻€(wěn)定到55.8℃。

      (2)熱泵機(jī)組和用戶側(cè)循環(huán)水泵開(kāi)啟,用戶熱負(fù)荷逐漸增加,熱負(fù)荷增至70%后持續(xù)運(yùn)行10天。用戶側(cè)供水溫度平均39.8℃,用戶側(cè)供回水溫差平均7.4℃,室內(nèi)平均溫度21.5℃左右,滿足GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定;熱源側(cè)供水溫度平均36.8℃,進(jìn)機(jī)組前混水降溫至27℃左右,供回水溫差平均值為6.4℃,如圖2所示(第6日熱負(fù)荷增加至70%以上后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行)。熱源側(cè)供水溫度較高且波動(dòng)變化較小,高于機(jī)組安全運(yùn)行溫度上限,為保證熱泵機(jī)組高效運(yùn)行,進(jìn)機(jī)組前進(jìn)行了混水降溫。

      圖2 熱源側(cè)進(jìn)出水溫度

      (3)試運(yùn)行后期,負(fù)荷逐漸降低,熱源側(cè)溫度逐漸回升至初期運(yùn)行時(shí)40℃以上,試運(yùn)行結(jié)束10天后,地?zé)峋跍囟然厣?8℃,達(dá)到未運(yùn)行前溫度水平。

      (4)供暖季初期,熱源側(cè)進(jìn)水溫度較高,可達(dá)50℃以上,隨著熱負(fù)荷增大,熱源側(cè)進(jìn)水溫度逐漸降低至31℃左右,系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,高于同類項(xiàng)目8℃左右,效果較好。

      (5)測(cè)試期間,系統(tǒng)制熱量為1716kW,單井平均取熱功率約為253kW,延米換熱功率約為101W/m,單井平均循環(huán)流量約為21m3/h。

      (6)測(cè)試期間,室外平均溫度為-3℃,室內(nèi)平均溫度為23.4℃,地?zé)釤岜脵C(jī)組平均COP為6.49,系統(tǒng)平均COP為5.20。

      (7)循環(huán)水泵耗電量占系統(tǒng)總耗電量的比例為19.8%,熱泵機(jī)組耗電量占系統(tǒng)總耗電量的比例為80.2%。

      3 結(jié)語(yǔ)

      (1)中深層地?zé)岬芈窆芄嵯到y(tǒng)熱源側(cè)取熱量穩(wěn)定,出水溫度較高,延米換熱功率約為101W/m。(2)熱源側(cè)進(jìn)水溫度為31~48℃,熱泵機(jī)組COP達(dá)到6以上,在供暖初期及末期熱源側(cè)進(jìn)水溫度較高時(shí)節(jié)能效果更加明顯。(3)本次測(cè)試單井平均取熱量與數(shù)值模擬計(jì)算給出的地埋管換熱量評(píng)估值較為一致。(4)本次測(cè)試單井平均循環(huán)流量約為21m3/h,處于給出的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行流量范圍內(nèi),水泵輸配能耗占系統(tǒng)總能耗比例小于20%。(5)中深層地?zé)岬芈窆芄嵯到y(tǒng)雖然在供暖初期由于連續(xù)取熱,熱源側(cè)溫度有所下降,但是,可持續(xù)保持穩(wěn)定供熱量且熱源維持在較高品位,高于機(jī)組安全運(yùn)行溫度上限,為保證熱泵機(jī)組高效運(yùn)行,進(jìn)機(jī)組前進(jìn)行了混水降溫。(6)本項(xiàng)目試運(yùn)行顯示出良好的運(yùn)行能效,初投資也在可控范圍內(nèi),因此,在一定條件下,中深層地埋管技術(shù)具有良好的推廣前景。(7)按照一個(gè)采暖季入住率70%計(jì)算,該項(xiàng)目預(yù)計(jì)運(yùn)行成本為1.97元/平方米·月。

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