低温地热运用热泵供热的技术经济性

  文 摘:结合某工程可行性研究,分析了低温地热运用热泵供暖、供生活热水的技术经济性,并与传统锅炉供热方式进行比较,讨论了地热热泵应用的可行性。关键词:地热热泵,技术经济性,供暖,生活热水

 

  0 引言 地热作为一种清洁能源,应用于采暖和供应生活热水的优势十分明显,在我国北方得到迅速发展。国内地热供热应用主要集中在天津、北京、河北、西安等地。天津地热供热应用较为普 遍,目前地热供暖面积已达500万平方米,按替代燃煤锅炉供暖计算,每个供暖季替代了11万吨以上的煤,取得了良好的环境保护效益。

 

  地热供暖中一个突出的问题是供暖后排水的地热水温度比较高,一般在45℃以上,有的甚至达60℃,造成了资源的浪费和环境热污染。另外,有少数地热田温度低(低于55℃)。这两类低温热源用于供暖时需进一步升温,如采用传统的锅炉加热方式,供暖后的排放水温度仍将在40℃以上。如采用热泵技术供暖,不仅可进一步回收地热的排放水热量,使排放水温度达到环保要求,同时还加大了地热的供暖能力,可使一口井相当于一口半至两口井。

 

  1 地热热泵供热方案

 

  以往计算分析说明[:地热热泵供暖系统,以地热加热泵调峰供暖方式的供暖成本和投 图1地热热泵调峰供暖与生活热水供应系统示意图资低于热泵单独作热源的供暖方式。

 

  本文选取地热热泵调峰供暖作为基本系统,对三种地热热泵供热方案进行技术经济性分析。

 

  111 地热热泵调峰供暖系统

 

  地热热泵调峰供暖方案的原理系统如图1所示。地热为供暖基本热源,满足采暖系统的基本热负荷要求。到了严寒期,地热热量不能满足采暖热负荷要求,启用热泵调峰以提高采暖循环供水温度,达到调峰供暖的要求。 该系统中,地热供暖后的尾水作为热泵蒸发 器的热源,因此地热的排放温度将会进一步降低。

 

  112 地热热泵调峰供暖与生活热水供应

 

  该系统在满足方案1供暖要求同时还兼顾生活热水的供应,即利用地热供暖后的尾水作为生活热水供应。与单一地热供暖相比较,地热供暖与生活热水供应不仅利用了地热的“热”,而且利用了地热的“水”。

 

  由于地热供暖后的尾水温度低于45℃,需要有将尾水加热升温的系统。这里设计以一定量55℃地热供水与一定量地热尾水相混合,达到供应45℃的生活热方案,如图1中的储热水箱部分。这种方案涉及到要降低地热供暖的供水流量,即降低地热的供热量,因此相应地要加大热泵的调峰量。

 

  113 地热热泵调峰供暖与生活热水供应兼顾夏季空调

 

  在满足上述方案2地热热泵供热的基础上,考虑兼顾夏季空调。热泵的工作原理与制冷机相同,二者具有相同的主要部件,只是运行的温度、压力范围不同。热泵机组一机两用,提高了设备的利用率,相应减少了采暖、空调系统的设备初投资,同时电力初装费只一次性计入,投资的经济性得以提高。

 

  热泵空调机一机两用,并且机组在夏季空调的运行时间要比冬季调峰供暖的运行时间长,因此可以把热泵初投资的50%甚至60%以上计入空调系统。

 

  2地热热泵供热系统技术经济分析

 

  按上面提出的三种地热热泵供热方案和两类地热资源——地热利用后的尾水或新钻地热井,作供暖基本热源加热泵调峰进行供热。进行方案技术经济参数计算和分析的依据是北京某工程的实际参数:地热供水温度55℃,流量80th;采暖回水温度按35℃计算;采暖面积5万 平方米,按建筑节能要求,采暖热指标为50W平方米;当地能源价格为:电价0136元kWh,地热水费013元吨,自来水水费017元吨,煤价230元吨,天然气价格118元立方米。 由于采暖供回水温度偏低,终端散热器应合理选择。计算发现,对55℃以下的低温采暖,如采用常规暖气散热器,所需要的散热器面积至少要增加50%,相应投资也将增加50%。目前一种新兴的地板辐射散热器正在兴起和使用,地板辐射散热器埋在房间地板下,散热方式是由下向上辐射散热,适合人的身体和生活需要。这一特点,即使是降低它的供回水温度,如采用50℃35℃,对它的散热效果也没有太大影响。这使得地板辐射散热器在低温采暖中有很强的竞争力。因此,可结合建筑实际情况,终端可采用暖气散热器,或采用地板辐射散热器。 根据上面所提到的条件和参数,对三种地热热泵供热方案进行具体的计算,结果见表1、表2。

 

  表1列出了不同采暖终端,新钻地热井系统的投资和单位运行成本的计算结果。从三种地热供热方案看,方案1的投资低,供暖成本也低,但没有生活热水供应。综合比较,方案3既有供暖,又有生活热水供应,同时还兼顾夏季空调,运行成本最低,投资费用处在方案1和方案2之间,可作为优选方案。

 

  表2列出了计入和不计地热井时的经济参数计算结果。不计入地热井时,系统只有热泵、管网和采暖终端,没有地热井的投资和运行费用,其供暖成本只有计入地热井系统的55%左右。

 

  3 地热热泵供热与锅炉供热的比较 通常用户比较关心的是,地热热泵供热能否与传统锅炉供热相竞争,为此计算了燃煤、燃 气锅炉供暖及生活热水供应的初投资和单位成本,见表2,并将地热热泵供热方案(有无地热井费用两种情况)与锅炉供热二者进行投资和成本比较。 由表2可见,燃煤锅炉的供暖单位成本的13165元m2 ,地热热泵调峰供暖方案3的供暖单位成本为15141元m2,比锅炉高13%,不计地热井时供暖成本为7170元m2 ,约只有锅炉的56%。但燃气锅炉的供暖成本已超过了供暖收费标准20元m2。 比较生活热水供应成本,地热只有1135元吨,低于燃煤锅炉4150元吨,低于燃气锅炉11132元吨。 应当说明,当地热与锅炉供热方案进行对比时,占地面积引起的经济效益差别不能忽视。锅炉房要包括煤、灰场和运输通道,通常地热井方案占地可能只及锅炉房方案的15左右。

 

  4 地热热泵供热的节能环保效益 与传统锅炉供热相比,采用地热热泵供热可以取得节水和节煤效益。如按生活热水供应量200吨日计算,年供水量为73000吨,采用地热供应生活热水取代锅炉加热自来水方式,则年节水量为73000吨,这不仅节约水费约5万元,更主要的是节省了清洁水,这对缺水地区是非常有意义的。 按5万m2的建筑采暖,年单位耗煤量21153kg/m2 计算,采用地热热泵供暖替代锅炉供暖,每个采暖季可节省耗煤量1077吨。另外按生活热水供应量73000吨年,如采用锅炉加热,计算出年耗煤量为817吨年。

 

  这样可以计算出采用地热供热替代锅炉供热,每年可节煤1894吨,按煤价230元吨计算,相当于节省4315万元。 替代燃煤锅炉供热,年节煤1894吨所减少的对空气污染量,可计算出相应治理污染量所需的费用约1417万元。 按上述所计算的替代燃煤锅炉供热所达到的节水、节煤和环保效益,可以得出一个总的效益值: 5  万元(节水)+4315万元(节煤)+1417万元(环保)=6312万元年 这是地热热泵供热替代燃煤锅炉供热所取得的间接效益。

 

  5 结 论

 

  根据技术经济评价结果,认为地热热泵供热方案3(供暖、生活热水、空调)为优选方案。 地热热泵供热系统,当计入地热井时供暖单位成本为15141元m2,与燃煤锅炉相当,不 计地热井时仅为7170元/平方米 ,约只有锅炉的60%,表明回收地热尾水的地热热泵调峰供暖成  本是很低的。 地热热泵调峰供暖提高了地热利用率,同时降低了地热排水温度,  达到环保排放标准。地热热泵供热替代燃煤锅炉供热具有节水、节煤和环保效益。