地热结合水源热泵系统的改造工程设计方案

摘要：地热井热源在供暖利用过程中，由于水位的下降，导致热源不足，在此阐述了系统改造时，在热源配置，设备配置以及系统组成中的相应方案，最终实现了90℃地热水达到4℃排放的节能要求。

关键词：地热水 水源热泵 热源

一、工程概况

西安市丰盛园小区有地热井一口，经抽水实验测定，出水量为100t/h（原出水量为110t/h），出水温度为90℃（原出水温度为89℃）。目前供暖面积为24.7万㎡，系统末端为散热器片，地热水结合三台热泵和一台六吨调峰燃油锅炉对整个系统进行供暖。需新增供暖面积3.135万㎡，末端为地板辐射采暖，尚未建成。

二、现状分析

现有供热系统地热水的实际排放温度为18℃，供热循环系统的供暖参数在最冷天气时为：供水温度62℃，回水温度52℃。

1、实际运行图

2、存在的问题

1）、供热系统设计条件发生变化，主要体现在以下几个方面：

A.地热井原设计出水量为110t/h，设计温度为89℃，成井时该地热井为自涌状态；而现在水源条件发生了重大的变化，2006供暖季地热井实际动水位达到128米，静水位为81米；2007年抽水实验结果表明出水量为100t/h，出水温度为90℃，动水位为120米，降深为40米。

B.供暖面积增加3.135万平米，需要重新计算热负荷及相应的供暖系统。

C.目前供暖系统的实际供回水温度与原设计发生变化，为62/52℃。

2）、原系统存在部分不合理问题，例如当燃油锅炉启动时，3#热泵机组无法运行。

3）、现有供热系统存在水平失调问题，需要结合平衡阀技术进行改造，从而改善系统，降低能耗。

4）、机房部分设备、管道存在老化现象。

5）、机房控制手段落后（基本无自动控制和监测，许多运行数据严重缺失），需采用监控技术以提高系统的安全性和调节性，进一步节约能耗。

三、改造原则和要点

1、系统改造必须在本年度供暖之前完成；保证本年度采暖季的稳定供热、安全第一。

2、尽可能多的直接利用地热水的热量，不足部分采用热泵技术，减少燃油锅炉调峰量，提高供热系统经济性。

3、预留新建3.135万平米地板辐射采暖建筑接口条件（这部分建筑预计2009年投运），新建建筑投入供热之前，现有建筑须尽可能多直接利用地热水热量。

4、对现有供热系统水力失调问题进行改造。

5、针对机房部分设备、管线老化的现状，进行更新改造。

6、深井泵选用大扬程泵，变频运行，以适应不同降深的需求。

7、改造和完善控制系统，实现控制系统稳定可靠，实现远程监测的改造目标。

四、系统热负荷估算

1、设计参数

五、热源改造方案

1、系统参数

1）、根据目前运行情况，为保障供暖效果，散热器系统末端供/回水温度取为62/52℃；

2）、新增地板辐射采暖供/回水温度取为45/35℃；

3）、根据抽水试验报告，地热水出水量为100t/h，出水温度为90℃，动水位120米，降深40米。

2、方案概述

丰盛园小区地热热泵供暖系统中存在多个热源，当多个热源同时供暖时，会出现热源之间流量不匹配的问题，为解决该问题，采用变频二次循环泵结合耦合罐和一次泵的方案。

1）、方案介绍

A. 现有24.7万平米散热器末端建筑设计热负荷为11316kW，供/回水温度为62/52℃，系统供回水温差为10℃；新增31350平米地板辐射采暖建筑设计热负荷为1254kW，供/回水温度为45/35℃，系统供回水温差为10℃；以地热水、热泵作为系统基础热源，严寒期引入燃油锅炉调峰；地热水设计抽水量为100t/h，出水温度为90℃，地热水经梯级利用后水温降为6.3℃回灌；

B. 板换1和板换2利用原有板换（需要调整重组）作为现有散热器片末端建筑基础热源，最大供热量为：4303kW；经板换1、2，地热水温度降低为53℃。

C. 板换3和板换4（新增两幅框架，板片利用现有板片调整组装）作为新增3万平米地板辐射采暖热源，最大供热量为：1254kW，可以满足最大热负荷需求。地热水温度降低为42℃。考虑到末端供暖面积有可能增加，为保证系统的安全可靠，板换3和板换4各留有20%的设计余量。为降低新建建筑能耗，板换3、4一次侧安装手动调节阀，调节进入板换的地热水量，二次侧循环泵采用变频措施。

D. 利用现有二级板换（热泵前板换）板换5（需要调整重组）作为中高温热泵前端板换，设计工况下热泵制热量分别为1470kW、1235kW，输入功率分别为370kW、312kW。新增板换6（可利用现有框架，新增加板片）作为常温热泵前端板换，设计工况下热泵制热量为1891kW，输入功率为472kW；三台热泵机组冷凝器侧依然串联运行，设计工况下总制热量为：4596kW。板换6一次侧安装电动三通调节阀，精确控制进入板换的地热水量，保证蓝德热泵机组蒸发器进水温度不超过25℃。

E. 现有三台热泵结合板换1、2总供热量为8899kW，现有24.7万平米散热器末端建筑设计热负荷为11316kW，不足热负荷2417kW，为了尽量减少运行费用较高的燃油锅炉的投入量，充分提取地热水热量，新增一台蓝德高温热泵GSHP-C1128G，设计工况制热量1063kW，输入功率354kW。地热尾水温度降为6.3℃排放。

F. 利用原有燃油锅炉在最寒冷时段进行调峰，最大调峰量1354kW。增设两台水泵（1用1备），将燃油锅炉串联接入系统，根据需要的供水温度控制燃油锅炉的投入量（调峰质调节）。燃油锅炉串联接入系统，从根本上解决了燃油锅炉启动时，3#热泵机组无法启动的问题。

G.为了解决多热源二次侧流量分配不均匀问题，采用变频二次循环泵结合耦合罐和一次泵的方式。在板换支路、现有热泵支路、新增热泵支路分别装一次循环泵，通过耦合罐与系统供水管变频二次循环泵连接，连接方式如方案简图所示。板换、现有热泵、新增热泵每投入一组设备，开启对应的一次泵，同时调整二次泵开启台数及变频。

H.热源投入遵循：板换、现有热泵、新增高温热泵、燃油锅炉逐渐开机，逐渐关机的顺序。燃油锅炉启动时，热泵机组必须处于满负荷工作状态，不能卸载。蓝德热泵机组蒸发器侧板换支路上的装设电动调节阀，精确控制蒸发器侧的进水温度不超过21℃，确保热泵机组能够安全开启。

I.现有及新增共计27.835万平米建筑设计供热负荷共为12570kW，地热总供热量为5557kW；四台热泵的总供热量为5659kW；地热和热泵的总供热量为11216kW，占全部负荷的89%，燃油调峰量占11%。

2）、方案简图

3）、调节策略

在供暖过程中，为降低供水温度以提高地热水供热量并提高机组COP，可以通过调节热媒的温度来调节供热量，下图为纯粹的质调节曲线。

实际上在气温较高时，纯粹的质调节带来的节能效益不大，可根据气温情况适当调整系统水量进行质量并调的方式以节约循环水泵运行电耗，采用回水温度控制及室外温度主动预设相调节的方案，即根据气象参数决定水泵开启台数和频数及系统供水温度，然后根据回水温度依顺序开启或关闭板换、机组和调峰锅炉。

4）、各热源投入外温确定

下表给出了方案二中随着室外温度的变化，地热、热泵和调峰锅炉分别的投入时间和供热量。

从上表可以看出，新增建筑整个供暖季通过板换换热直接供暖就可满足。现有24.7万平米建筑，一开始供暖，就需要开启现有热泵，热泵逐步投入，当室外温度低于-1℃时，现有热泵达到满载运行，逐步投入新增热泵，热泵和板换直接换热，一起满足现有24.7万平米供暖面积的热负荷需求；

当室外温度低于-3℃时，所有热泵达到满载运行，逐步投入调峰燃油锅炉；至室外温度达到设计温度-5℃时，负荷达到设计负荷为止。

5）、热负荷时间延续图

六、结语

该工程自2007年7月开始设计，经过多次方案调整，于2008年1月初完成全部施工图，2008年7月全部竣工，并通过调试，从相应仪表值，可以分析出，该设计在此次改造工程满足使用要求，也有一些值得总结的地方。

参考文献：

[1]北京市建筑设计研究院 2005. 建筑设备专业技术措施

[2]李新国、刘笑、2000. 水源热泵与未利用能。2000.第4期

[3]李新国、尤克勤、2000. 低温地热运用热泵供暖的技术经济性。北京节能.2000.第一期