用热泵技术利用地热尾水实施城市集中供热的可行性分析

集中供热是城市能源建设的一项基础设施，是城市现代化的一个重要标志，也是国家能源合理分配和利用的一项重要措施。从我国的能源利用结构和城市集中供热发展态势看，以热电联产和大型区域锅炉房为热源集中供热仍然是主体，但近年来，随着一次化石能源开采量飞速增加而带来的能源紧张情势促使以利用地热、工业废水、地表水、城市污水、燃气、太阳能等方式做为辅助性环保热源参与集中供热所占的比率逐年增加。本文将结合河北沧州泊头地区供热实际，简要探讨采用热泵技术梯级利用地热资源进行城市集中供热的可行模式。

      一、热泵技术简介

      1、热泵。热泵是一种利用高位能使热量从低位能源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如地热、工业废热、城市污水、空气、土壤、太阳能等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。

      热泵虽然需要消耗一定量的高位能，但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和，也就是说，应用热泵，用户获得的热量永远大于所消耗的高位能（水源热泵常规能效比在4以上）。因此，热泵是一种节能装置。

      2、热泵应用。70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断的开拓，广泛应用于空调、供热和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。

      我国热泵技术的研究开发工作起步较晚。80年代以后，热泵技术的研究日益受到重视，并取得了一系列的研究成果，部分企业产品技术水平和产品质量已达到或接近国际领先的地位。90年代后在集中供热领域得到了较好发展，像北京、天津的地热尾水利用、沈阳的大面积地下水源、污水源热泵利用项目（面积很大）等均很成功。

      热泵系统的经济性和可能提供的热能品质都与热源的特性有关，而热泵应用的关键之一就是寻找并巧妙地利用合适的热源。

      3、热泵原理

      原理说明（见原理图）

      热泵机组由四大件构成—蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀，其原理即热力学中的逆卡诺循环。

      冬季制热时

      阀门A开启，阀门B关闭，热源水被输送至机组蒸发器，将热源水中所含的热量传递给蒸发器另一侧的制冷剂。

      制冷剂在蒸发器中吸收热源水的热量由液态变为气态，进入压缩机被压缩成高温高压的气体后进入冷凝器。在冷凝器中由气态变为液态将热量释放给冷凝器另一侧的空调水。

      空调水在冷凝器中吸收制冷剂释放的热量，温度升高后被输送到房间，通过空调末端系统释放热量进行供暖。

      夏季制冷时

      阀门B开启，阀门A关闭，空调水吸收房间的热量后被输送至机组蒸发器，将此热量传递给蒸发器另一侧的制冷剂。

      制冷剂在蒸发器中吸收空调水的热量由液态变为气态，进入压缩机被压缩成高温高压的气体后进入冷凝器。在冷凝器中由气态变为液态将热量释放给冷凝器另一侧的热源水。

      热源水进入冷凝器中带走制冷剂释放的热量。

      4、水源热泵原理

      目前，应用于集中供热系统较多的是水源热泵系统，因其投资相对于土壤源热泵等较小，且系统运行节能稳定。

      水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

      利用地热尾水则不宜考虑夏季因素，仅考虑怎样全面系统利用提取地热绝大部分能量即可。

      2、地热梯级利用模式简介。地热梯级利用模式流程详见附图（地热梯级利用工艺系统图）。流程简介：

      ①热源水取水、提升系统：深井，一般超过1000米，打井费用较高，常规一眼2000米地热井约需200—300万元。因而如不系统全面利用，其单位供热面积投资量过大，且高位排放浪费严重。

      ②一级利用：将提取的地热水经板式换热器换热后对热用户实施供热，如水温很高可多级换热，常规低于40℃就难于满足热用户需要，因而提取温度至低于40℃后排放至二级系统。该系统取水温T较高时可接带挂式暖气片系统。另如地热水水质较好、温度适中，则可以采用直供方式供热，但需注意经供热系统后长年运行水质势必受到影响，排放对环境有负面作用。泊头及河北许多地区此类系统一般均做到此处即排放，未能实现资源全面合理利用。

      ③二级利用：收集旧有系统排放水，集中利用。有两种方式取热，一种选用板式换热器将地热尾水温度利用中间介质降低至25℃后进入下一级系统，中介水循环携带10℃温差热量进入标准满液式热泵机组，经蒸发器提取，由热泵机组释放给二级管网，用二级管网输送到热用户，考虑热泵能效比，二级管网参数不宜过高，因而热用户系统最好采用地板辐射采暖系统或风机盘管系统（供水温度一般要求35—50℃，温差10℃左右）。另一种直接选用特殊制冷剂的高温型热泵机组替代板换和普通机组，也能满足要求，但热泵机组单体造价提高50%以上，不作优选。

      ④三级、四级利用：上一级排水直接进入标准型满液热泵机组，分两级分别提取10℃热量，利用热泵机组供给热用户。直至5℃低温低位排放，至此，可以说在40℃以下排水中又经3级系统利用，提取了开发地热能源中所有可以提取的热量。实现了全面利用。

      通过上述梯级利用后，系统综合供热能力提高极大，且社会效益和经济效益显著。

      3、供热实例测算

      以现状宏源小区为例，地热井取水60℃，水量75t/h，40℃排放，现状只做了一级利用，则总利用负荷为

      Q=G（T1-T2）/A=75×（60-40）/860

      =1.744MW

      按建筑热指标45W/m2计，可供热面积为3.86万平米，实际小区供热面积为3万平米，冬季一般室内达到24—26℃，远高于集中供热要求的18℃和舒适性温度要求21℃，资源浪费严重。

      实施梯级利用后，增加提取热量为：

      Q=G（T1-T2）/A=75×（40-5）/860

      =3.052MW

      增加三级系统所输入热泵的电耗为0.678 MW，可转化为热能的约占88%，则总可供负荷为Q=3.052MW+0.678 MW×0.88=3.648 

      MW，还可供热面积约为8万平米。在原供热规模的基础上又提高了热源供热能力约2倍以上。资源利用率得到大幅提高，且社会和经济效益很可观。

      1、城市集中供热是城市能源建设的一项基础设施，是城市现代化的一个重要标志，它对于发展经济、全面提升城市综合竞争能力有着不可替代的作用。因而适时的引入城市集中供热是应时之需、当务之急，但如何合理发展，必须审慎对待。建议可以依托当地专业从事供热管网研究与开发的企业，引入高精专业人才，成立政府控股（便于监督和管理）的集中供热公司（或能源开发公司），明确其供热区域和合法性，由其系统从事泊头市集中供热事业的开发与管理，并拓展至周边地区。

      2、政策扶持、优化环境。政府牵头把该类工程列入利国利民的重点工程，成立集中供热管理办公室，会同环保部门，从环保节能角度出发，全面回收区域内所有地热井，规范区域地热资源开采管理，并以建设区域高新技术环保企业为目标，提供部分环保基金进行系统开发和利用，充分体现区域环保节能意识，最终达到政府、企业、社会、热用户多方受益，形成良好的供热发展态势和能源利用结构。未来的能源利用模式可确定为：充分利用地热热泵、地表水源热泵（该项优先）和城市污水源热泵实施集中供热，并根据区域实际合理规划，设置区域锅炉房作为调峰和备用热源以补充和完善。只要政府重视，泊头一定能建成全国领先的集中环保供热模式。

      3、能源系统规划、合理开发。区内可用的低位供热热源大致有以下几种：地热、地表水（100—200米内）、废弃油井和城市污水。其各自特点和工作重点分别为：

      ①地热：系统前文已述，下一阶段主要是全面普测，了解区内地热资源分布及储量，合理适度开发。

      ②地表水源热泵：地表水源热泵可冬取夏回，循环利用，非常适合集中供热、供冷，并且因其同层回灌，水质无污染，可大量减少区域锅炉排放，属经济环保能源，因而应详加调研。泊头地处平原，地下水应该很丰富，目前饮用水一般为300米深井水（可能考虑水质因素，因而考虑对部分地下100—200米内丰富的地下水进行打井取用于集中供热（一般投资在100元/平米左右，可实现大面积开发）。

      ③废弃油井再利用：一般油井均在2000米以上，其取水温度常规在30℃以上，也很具利用价值，但一般距居民区较远，可因地得宜、合理利用。

      ④城市污水也是很好的热泵热源，只是对量的要求较大，因而根据情况建议与污水处理厂系统考虑综合利用。

      4、全面系统推行集中供热管理市场化运作，培育市场。参照沧州市集中供热相关管理规定建立泊头集中供热管理规定。并从建设审批程序着手，从源头规范集中供热管理市场，推行按户蒸汽流量计，蒸汽流量表，蒸汽计量表，蒸汽表，涡街流量计计量、按户分环系统，规范供热计量收费管理，推行与此类低位热能利用较配套的室内采暖形式（地暖），保障供热良性运作。

涡街流量计