he Analysis of Geo-heat pump Heating System in Tianjin’s Hotel
北京清源世纪科技有限公司 孟富春 尤晶 段晓杉
Beijing Qingyuanshiji Scientific & technical Ltd. Fuchun Meng Jing You Xiaoshan Duan
摘要：针对天津某酒店目前供热热源不足的情况，采用地热热泵，充分利用地热尾水，并结合酒店原有采暖空调设备的能力，进行了技术经济分析。
Summary: To solve the problem of heat source shortage of a hotel in Tianjin, using Geo-heat pump, making the most use of tail water and the hotel’s old equipment ,make a comparison in technological and economical respects .
关键词：热泵 尾水 技术经济分析
The key word: Heat pump tail water technological economic analysis

一、项目简介
天津某大酒店现有地热井一口，每小时出水量为120吨、出水温度为79℃。目前用于对30000平方米酒店（末端为中央空调系统）和87000平方米居民楼（其中81000平方米为散热器采暖，6000平方米为地板采暖）供暖。居民楼供暖由5路系统（45kw、30kw、45kw、30kw、22kw的水泵各供一路1万多平方米）组成，居民楼系统回水49℃；一级板换65℃地热回水作为酒店热源，2台30kw水泵并行，酒店使用200万大卡的直燃机（60℃出水）调峰。目前居民楼感觉室温偏低。
除此之外，由于4000平方米的酒楼是在冷热源建成之后改造内容，所以夏季存在冷量不足问题；另外，还有直燃机燃烧重油运行费用过高等问题。

二、现状分析与方案概述
现状分析：
居民楼设计负荷为60w/m2，由计算可知总负荷为60×87000 =5220 KW ，在最冷季节，地热井全部供热给居民楼，这样地热井提供热量为120×(79-50)×1.163=4047KW ，只能满足67000平米左右的供暖面积，不能满足87000平方米住宅最大冷负荷5220kw的需求，还欠缺大约2万平方米的供热量（1173kw），所以出现居民楼室温偏低的情况。30000平方米的酒店采用风机盘管来供热，通过实际运行的数据测算，该直燃机（200万大卡，2330KW，指制冷量，制热量为1900KW） 基本能满足酒店自身的负荷需要，其实际负荷指标为63W/m2，故根据酒店的实际运行情况，酒店的负荷估算按照70 W/m2来计算是可行的。
解决方案
如果充分利用地热水中的热量，假如地热尾水的温度降低为30度（其中50度以上为直接利用），可以提供的热量达到：120×1.163×(79-50)+ 120×1.163×1.4(50-30)= 7955KW,而该项目（酒店＋居民楼）的总热负荷为5220(居民楼)＋2100（酒店）=7320KW,由此可见如充分利用地热水中的能量足以满足全部热负荷的需要。
根据先达大酒店目前的现状，我们提出如下三种解决方案供用户选择：
１、 仍然采用地热水直接换热承担系统基本负荷（指初、末寒期），增设高温水源热泵对87000平方米的居民楼部分在中寒、严寒期进行调峰；酒店部分在中寒、严寒期仍采用直燃机组调峰供热，以解决系统目前冷热源不足的问题。同时该热泵还可以在夏季进行制冷，以节约直燃机组的运行成本。
２、 仍然采用地热水直接换热承担系统基本负荷（指初、末寒期），增设高温水源热泵对87000平方米的居民楼部分和酒店部分在中寒时期进行调峰，只有在严寒时期（大约20天左右）启动直燃机对酒店部分调峰，以兼顾冷热源容量和运行费用的问题。同时该热泵还可以在夏季进行制冷，以更大程度地节约直燃机组的运行成本。
３、 同时解决冷热源容量不足问题以及目前直燃机组在冬季和夏季的高昂运行费用问题，全部取消直燃机组。在初、末寒期仍采用地热水直接换热承担系统基本负荷（初、末寒期），增设高温水源热泵在中寒和严寒期对整个系统进行调峰，充分利用地热尾水的温度，使最冷季节时的地热尾水温度降低到30度左右排放。
这三种情况在冬季的运行投入顺序示意如下（初末寒期总时间约70天，中寒期约40天，严寒期约20天，共130天）：




由供热系统调节理论可以得到一系列调节曲线和运行转换数据（见后面第五部分：系统调节），目前系统初、末寒期负荷为5124KW（转换外温为零下一度）、中寒负荷为6222KW（转换外温为零下5度）、严寒负荷为7320KW（零下5度到零下9度）。下面对这三种方案分别进行分析计算。

三、方案内容
方案一、热量计算和设备容量估计：
机组需要输出热量：5220-4047=1173KW
从地热尾水中提取热量（机组COP=3.5）：1173÷3.5×2.5=838KW
地热水温降：838÷120÷1.163=6℃
即把50℃地热尾水温度降低到44℃。
电负荷为336KW。
选择两台QYHP-600高温水源热泵，输出水温与水量与原供热系统匹配，就可以满足系统的负荷需要。同时还要增加的设备为：
板式换热器　　　　　　一台
新增或更换水泵　　　　两台
对系统的改造工程量不大。
该种方案的单台高温水源热泵夏季制冷能力为520KW，两台共1040KW，在夏季可以替代1040KW的直燃机负荷，最热季节制热机承担剩余的1360KW的冷量。
图示如下：

机房布置示意图如下：

（A＝1000mm，建筑高度4.2米）

方案二、热量计算和设备容量估计：
机组需要输出热量：6222-4047=2175KW
选择三台QYHP-600高温水源热泵，总供热量为1800KW，虽然不能确保室温达到18度，但可以确保室温在16度以上，同样满足供热的舒适度标准。
从地热尾水中提取热量（机组COP=3.5）：1800÷3.5×2.5=1285KW
地热水温降：1285÷120÷1.163=9.2℃
即把50℃地热尾水温度降低到41℃。
电负荷为514KW。
同时还要增加的设备为：
板式换热器　　　　　　两台
新增或更换水泵　　　　两台
对系统的改造工程量不大。
该种方案的单台高温水源热泵夏季制冷能力为520KW，三台共1560KW，在夏季可以替代1560KW的直燃机负荷，最热季节直燃机承担剩余的840KW的冷量。
图示如下：

机房布置图：

（A＝800，B＝1000）

方案三、热量计算和设备容量估计：
机组需要输出热量：1173+2100KW=3273KW
须从地热尾水中提取热量（机组COP=3.5）：3273÷3.5×2.5=2337KW
地热水温降：2337÷120÷1.163=16.8℃
即把50℃地热尾水温度降低到33℃。
电负荷为935KW。
选择两台QYHP-600高温水源热泵，和QYHP-1000高温水源热泵输出水温与水量与原供热系统匹配，就可以满足系统的负荷需要。同时还要增加的设备为：
板式换热器　　　　　　两台
新增或更换水泵　　　　四台
撤掉直燃机组与系统的连接，用高温水源热泵机组来取代。
在夏季，该种方案的四台高温水源热泵夏季制冷能力为2760KW，足以满足夏季全部冷负荷的需求。
图示如下：

四、经济性分析
1、 初投资对比表

方案一(万元)
方案二（万元）
方案三（万元）

热泵主机
120
热泵主机
180
热泵主机
320


其它设备
24
其它设备
36
其它设备
58


工程改造
10
工程改造
15
工程改造
20


初投资合计
154
初投资合计
231
初投资合计
398



行费用比较
方案一中，热泵作为调峰来用，运行时间大约是两个月左右，同时直燃机也需要启动时间为两个月，根据目前的甲方人员测算，大约每天直燃机花费6000元；
根据供热系统的特点取连续运行的热指标为32Ｗ，大约热泵只承担87000平米中的20000平米热负荷。
热泵的运行费用为：32×20000×24×60÷1000÷3.5×0.42(大工业电价)＝11万元；
直燃机的运行费用为：6000×60=36万元
共47万元
方案二中，热泵的运行费用为：25.6×20000×24×60÷1000÷3.5×0.42(大工业电价)＋30×30000×24×60÷1000÷3.5×0.42＝24万元；
直燃机的运行费用为：4000×20=8万元
共32万元
方案三中，热泵的运行时间同样取为两个月，热泵共承担5万平米的调峰负荷。
热泵的运行费用为：32×50000×24×60÷1000÷3.5×0.42(大工业电价)＝27.5万元

分析表:
方案一
方案二
方案三

初投资
154万元
231万元
398万元

冬季运行费用
47万元
32万元
27.5万元

其它
夏季可提供部分43%的空调制冷负荷
夏季可提供部分65%的空调制冷负荷
夏季可提供全部空调制冷负荷



该种高温热泵机组的夏季出力与冬季出力基本相同。在夏季运行成本方面，电制冷每KW冷量的制取费用约为0.2～0.15元之间，而采用直燃机制冷，每KW冷量的费用约为0.29元，可见至少可以节约运行费用30%（以直燃机为基准），按照目前的开关水平来测算，全部采用电制冷比全部采用直燃机制冷年节约运行费用15～20万元，同时没有排烟等环保问题。

五、系统调节
室外温度曲线（来自国家气象资料）：
天津市采暖室外设计温度是－9度（不保证率为50个小时），当室外温度发生变化时，负荷也不是一成不变的，必须加以随动变化，才能确保节能，其负荷随室外温度的变化关系如下所示：

可以看出，在每个采暖季的初末寒期，室外温度的平均值还比较高，高于0度的天数大约为40天；高于2度的天数大约为30天，当室外温度超过5度时，按照国家有关规定，就可以不必供热了。当室外温度达到4℃以上时，负荷只有设计值的一半，充分说明能量调节具有很大的节约空间。
对于散热器采暖方式，可以采用如下的调控手段：
表：

质调节曲线：

最佳调节曲线：

分阶段变流量质调节曲线：

风机盘管系统的调控手段如下：
质调节曲线：

（３）、分三个阶段的量调节策略：
分阶段变流量计算表

调节曲线：

假设以零下两度作为开启热泵或燃油吸收式机组的启动点，此时的总负荷为：1778+3867=5645KW,此时按照上面的计算，回水的温度大约在４３度左右，地热水能够输出的总热量应该可以达到　120*1.163*(79-43)=5024KW,可见还不能满足负荷要求，此时就需要再次提高调峰外温，例如提高到零下一度。

六、方案特点
1、余热利用、经济节能
采用高温水源热泵机组可直接回收利用低温地热水、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热资源，从根本上解决了此类余热资源不能被热泵机组直接回收利用的现状。机组制热工况出水温度可根据用户需求调节，最高出水温度可达90℃，可满足不同用户的空调、供暖、制备生活热水的需求，低温地热水+高温水源热泵取代燃煤锅炉进行冬季供暖无须改造供暖末端及现有供暖管网，从而使现有资源得到了最合理的利用。能源利用率提高，投入1KW的电能可得到4KW的高品位热能，运行费用与常规方式相比更节约。
2、绿色环保、效益显著
采用地热水加高温水源热泵取代燃煤锅炉可取得很好的环保效应和经济效应，避免了燃煤锅炉的废气、废渣对周围环境的污染，省掉了燃煤的运输费用、贮煤场地费用、除尘费用、灰渣的运输处理费用等。同时解决了低温地热水或地热尾水排放后对环境造成的热污染的问题。
3、一机多用，节约资金
在该项目中，利用高温水源热泵提供冬季供暖的同时，还可提供夏季制冷，一机多用,从而避免了中央空调系统的重复投资,提高了设备的利用率。
4、性能稳定、安全可靠
水源热泵运行自动化程度高，便于操控,运行人员少，无压力容器存在，安全性好。地下水温度稳定，水源热泵供热为连续供热温度恒定，人体的舒适感好。机组体积小，可灵活安置在任何地方，节约空间。

作者：孟富春，1996年毕业于清华大学热能系，现为北京清源世纪科技有限公司副总经理。010-82898297

参考文献：
《供热系统运行调节与控制》，石兆玉 清华大学出版社
《高温水源热泵样本》 北京清源世纪科技有限公司
《暖通空调常用数据手册》2002年2月第2版 中国建筑工业出版社