北京清源世纪科技有限公司 孟富春 董明
天津大学地热研究培训中心 王万达

摘要：地热和废热的供热系统设计存在和普通供暖设计不同之处，本文从设计流程、供暖设计参数、散热性能、换热器参数和系统调节等几个方面探讨了这种不同，同时提出了解决的办法。

关键词：地热供暖 设计参数 、散热性能、换热温差

The summary: There are some differences about the design of space heating system using Geothermal or waste heat from the design of common heating system, this article discuss the difference in several fields like the design procedure, the parameter of heating design, the performance of radiator, the parameter of heat-exchanger and the control of the system, also, advanced the solution method.

Key words: Geothermal space heating, design parameter, the performance of radiator, the temperature difference of heat-exchanger

1、概述
我国有很多地区存在着低温地热资源，例如天津市有800万平方米的供热面积是采用地热供热的，北京市也有100多万平方米的供热面积目前是采用地热供热的方式，而且目前还在飞速发展中。取代化学燃料和电能，利用地热这种相对品质较低的能源来进行供热，对城市尤其是特大城市的环境保护和能源节约显然是具有重要意义的，但采用地热供热，区别于一般的锅炉供热，具有一些特殊之处，必须予与充分考虑。

地热供暖的特殊之处是：
i.地热属于一次资源，温度降低后如果别无他用，就回灌或排放；

ii.地热温度一般只有七、八十度，甚至在北京地区，往往只有四、五十度，而一般的供热系统是按照95/70℃来设计的，存在一定的差别；

iii.地热供暖的质调节和量调节办法，在设计上应该如何予以保证；

iv.地热供暖在设计上如何保证节能措施的实现；

v.地热水对换热器、管道和散热设备的腐蚀问题。

2、地热供暖设计步骤
i.地热水资源的评估，评估内容包括：水温、水量、水质、地热井寿命、最高排放温度的限制等；

ii.负荷计算，通常在规划阶段是按照热指标来估算设备负荷，但一旦具备了墙体、朝向、内部负荷等资料，必须进行严格的负荷计算。目前随着节能建筑的推广，建筑物的实际热指标早就突破了原来的数值，30W/m2、40W/m2的建筑物已经越来越多，此时如果还按照原来的55W/m2的数值进行计算，会导致相当大的误差，这一点，后面还会说明；

iii.确定系统形式。是采用直接供暖还是间接供暖；地热的梯级利用形式，是否采用地板采暖，是否采用热泵，是否需要调峰等；室内系统形式是单管还是双管，如何进行热计量等等；

iv.水力、热力计算和设备选择与技术经济评估；

v.可调性、节能性对供暖系统的要求：如，质调节方法、量调节方法、如何解决失调等等。

对于改造工程，步骤如下：

i.同上，地热水资源的评估；

ii.现有建筑物的负荷计算，根据历年的供热记录进行估算；

iii.现有建筑物室内系统的散热器片数统计，评估室内系统的多装量；

iv. 根据以上，重新设定供暖系统设计供、回水温度、设计流量等数据，做出室内系统是否需要改造的结论；

v.水力、热力计算和设备选择及技术经济评估；

vi.可调性、节能性同上。

下面重点对新建和改建过程中经常出现的几个问题进行论述。

3、散热片和供热指标的调整：
热水供暖系统的设计过程中，经常出现的两种问题是：

1)设计热指标取值偏大，例如本来是节能建筑，实际耗热指标可以取到40W/m2 ,但在实际设计工程中或改造过程中，没有进行详细的负荷计算，拍脑袋得到了60 W/m2的数据，就会造成总热负荷增加50%的设计结果；

2)散热片取值偏多，造成散热片取值偏多的原因有二，一个是上面的热指标取值偏大的结果，另外一个原因是设计人员经常喜欢乘安全系数的缘故。例如，一般民用住宅如果安装四柱813铸铁散热片时，每平方米散热片的安装量在0.35－0.4片就足够了，但实际上由于上面原因的作用，最终取值可以达到0.5-0.7片，增加了40%。

上述两个问题共同作用的结果体现在实际运行中就是：

1)在设计外温下，供热温度不必取到95/70℃,只需要70-80℃（甚至更低）就足够了；

2)无法依据理论的供热系统调节曲线进行必要的质调节和量调节。

所以必须对供热设计参数进行修正，才能进行供热系统的维护、运行和调节。

对供热设计参数进行修正首先要进行设计外温下供回水温度的修正，然后仍然依照原来的供热调节公式重新计算新的供热曲线。

根据有关文献资料提供的计算公式，在供热指标和散热器片数多取的情况下，我们得到下表（室内温度取18℃，原设计温度为95/70℃，原设计外温下流量与现设计外温下流量不变，计算采用的散热片为四柱813型）：

表1：供热指标和散热片数对供热设计温度的影响

从上表可以看出，供热指标与散热片数共同作用使供回水温度降低，但供回水温差却是由设计供热指标单独影响的。

事实上，各地供热的实际情况下，不仅存在着供热指标偏大、散热片数偏多，还大量的存在大流量、小温差的供热方式，这种方式会导致供水温度进一步降低，温差进一步减小。下一节将作详细说明。

4、流量和温差对供热温度的影响：
大流量、小温差的运行方式是为解决系统热力失调而采取的方式，会导致系统供水温度下降，回水温度上升，下表给出了不同流量下的设计供水和设计回水温度的变化：

（室内温度取18℃，原设计温度为95/70℃，原设计外温下流量与现设计外温下流量不变，计算采用的散热片为四柱813型）

表2：大流量运行对供热设计参数的影响

其他原设计参数的情况，可以参考供热系统调节方面的有关公式自行做出。

流量增大对系统供回水温度的影响与供热指标和散热片数对系统影响共同发挥作用时，可以先计算后者，然后考虑流量的影响；

例如，假设原系统的设计温度为95/70℃，当热指标系数为1.2，片数指标为1.3时，流量如果还超过设计流量，此时就可以按照上表1进行计算，例如当流量为原来的1.6倍时，此时供水温度为71，回水温度为59度。

应当指出，采用大流量、小温差的运行方式，造成的供热系统的回水温度上升，相应的会导致地热尾水的温度也会上升，对资源是一种浪费，同时，大流量导致的大设备、大水泵、大电耗都是运行管理人员所不希望看到的。

估算完上述三种因素对系统供回水设计温度的影响后，实际的运行调节可以按照新的供、回水温度和流量进行，就好像设计时就是按照调整后的供回水温度和流量进行设计一样，不必再考虑原设计参数，这样可以降低调节工作时思维转换的复杂程度，不会导致失真。

5、地热供热的温度、流量对散热器散热性能的影响
散热器散热公式：Ｑ＝Ａ（ｔｐ－ｔｎ）１＋Ｂ　，式中tp是散热器平均温度，是供水和回水温度的平均值；tn是室内温度；B是散热器的常数，对于四柱813散热器可以取0.35，对于其他类型散热器，必须获得其厂家测试数据；A是常数；Q是散热器散热量。根据这个公式，可以获得下列两条曲线：

1) 提高供水温度，保持流量不变时的散热性能曲线，此时，假设环境温度不变；

2) 提高通过散热器的流量，但保持供水温度不变时的散热性能曲线，同样的，假设环境温度不变。

Ｑ

Ｇ

２、提高供水流量，散热器散热量曲线（此时环境温度和供水温度不变）

Ｑ

ｔｇ

１、提高供水温度，散热器散热量曲线（此时环境温度和流量不变）

图1：散热器供水温度和流量对散热器的影响


上述两条曲线分别是下弯曲线和上弯曲线，也就是说，在１中，供水温度在较低温度范围内散热性能较差，而在较高温度范围内不仅散热性能好，而且调节性能好，稍微调整供水温度，就会造成供热量的较大幅度增减，大约在７０～９０度的温度范围内，其调节能力比在３０～５０度范围内的调节能力强４０％；而在２中，供热量在供水流量刚刚开始时增长迅速，到一定程度以后，继续增长流量，供热性能增长缓慢。

据有关数据，散热器供水温度从３０度提高到４０度时，散热能力增强设计能力的１０．８％，然后每升高供水温度１０度，散热能力增强１２．５、１３．５、１４．５、１５．３、１６个百分点，增长的相对平缓；而散热器的流量一般达到其设计流量的４０％时，供热量就可以达到其供热量的７０％以上，流量达到其设计流量的１６０％时，其供热量仅仅达到其设计散热量的１１０％。

可见，为了提高散热器的散热能力和调节性能，必须做到：

1) 设计供水温度不能过低，比如在６０度时散热能力只为常规设计时的４６％

2) 供水流量不必过大，过大了也没有多大的用处，只能增加泵耗（实际运行中的大流量的目的主要是要解决供热系统热力失调的问题）。

对于地热或废热供热，如果品质较低例如温度在７０度以下，此时一味的加大流量是无济于事的，必须配合室内系统的重新设计，加大足够多的散热片数，才能满足最冷时的室内温度要求。

6、换热器的一次侧回水温度和二次侧供水温度设计问题
对于地热和废热，一次侧属于不循环的供热方式，那么利用能量的关键问题是降低t1h,但一味的降低ｔ１h，会导致t2g和t2h都下降，而末端的散热器是不能允许温度降低过低的。

ｔ

图2　换热器逆向流动温差
t1g
t1h
t2h
t2g


如上节所说，t2h的降低是以房屋内散热片数大量增长为代价的，必须进行技术经济的考虑，我们可以通过换热器的设计使ｔ１ｈ与ｔ２ｈ非常接近，所以，只需要考虑ｔ２ｈ的最低期限，就可以推导出ｔ１ｈ的最低极限了 。根据前节得到的结论，当供暖面积指标和散热片数都偏大时，ｔ２ｇ和ｔ２ｈ都可以降低，同时，提高系统的循环流量，会使供水温度下降，但回水温度反倒上升；当供暖片数多于４０％时，同时循环流量与设计循环流量基本保持不变，供热回水温度可以达到４８度左右，此时，ｔ１ｈ可以达到５０度。

为达到末端供暖的要求，还需要提高t2g，但t2g也不是没有限制的增长的，而且t2g是永远达不到ｔ１ｇ的，只能无限度逼近，此时需要大幅度提高热交换器的面积。据有关数据，当换热器两侧流量的比值为１．２５倍（二次侧大）时，假设ｔ２ｈ＝５０，ｔ１ｈ＝５２，ｔ１ｇ＝９０，考虑两种情况：

1) ｔ２ｇ为８２度；

2) ｔ２ｇ为７２度；

此时，当采用管式换热器时，第一种情况的换热面积是第二种情况下换热面积的２～３倍。如果采用板式换热器，需要请厂家进行校核，但同样存在面积增长的问题，尤其当钛板换热器价格比较高时，提高出口温度是非常不合算的。

当提高二次侧的出口温度t2g时，末端的散热器因散热性能提高，因而可以减小散热面积，可以节约造价；但此时换热器的价格会上升。此时需要权衡换热器和散热器的造价，寻求一个平衡点。同样的，当降低一次侧的出口温度t1h时，末端的散热器因散热性能下降，因而需要更多的散热面积，造价会上升，但此时因利用了更多的地热热量，而事实上带来了能量的节约，也需要寻找一个最佳的平衡点。实际上为降低地热或废热的排放温度，还可以采用热泵的方式，将40～50℃的地热水进一步利用，在降低排放温度的同时，输出高温热水继续进行供热，既能降低排放温度，又能增加供热面积，同时耗费的代价又很小，不失是一种很好的解决方案。

结论：在地热供暖的新建或改造工程中，必须结合地热供暖的特殊之处进行设计，而不能照搬普通供暖工程的现成结论，只有这样才能充分挖掘地热的潜力，提高能源的利用效率。

参考文献：
［1］石兆玉著 《供热系统运行调节与控制》 ，清华大学出版社 ，1994年1月
［2］王万达 《地热供暖设计技术要点》 《地热能》2002年1期

作者简介 孟富春 1973 黑龙江阿城人 1996年毕业于清华大学热能系 工程师 北京清源世纪科技有限公司研发部经理。