某住宅小区无干扰中深层地热供暖系统方案设计

1  工程概况

项目地址为青岛某地块。工程建设规模为21栋高层住宅,层数为地上16/17层,地下1层,总建筑面积为16.74 hm²。 在建筑功能布局方面,地上16/17层为住宅,地下1层为机动车库、电动汽车库及设备用房。总供暖面积为 13 hm²,受回迁入住率的影响,近期供暖面积为3 hm²。

2  气象参数

参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012),青岛市冬季室外设计参数如表1所示

以青岛市全年逐时气象资料作为计算常年负荷用的气象资料,该资料包括青岛市室外全年8 760 h逐时干球温度、相对湿度等参数,经分析,青岛市全年日温度统计如图1所示,青岛市全年温度统计如图2所示。

对气象数据进行统计分析,全年温度低于-5 ℃ 的时间为536 h,约占供热时间的15%,全年温度为-5~5 ℃的时间为2 197 h,约占供热时间的65%, 全年温度为5 ℃以上的时间约占供热时间的20%。

3  热负荷计算

根据青岛市各类热用户的比例及使用特点,参照 《城镇供热管网设计标准》(CJJ/T 34—2022)推荐的各类建筑物供暖热指标,得出供暖热指标推荐值如表 2所示,确定建筑物供暖综合热指标为40 W/m2。

根据建筑面积及供暖热指标,该项目供暖设计总热负荷为1.2 MW。平均负荷Q_pj的计算公式如下:

式中:Q_j为设计负荷;t _n为供暖室内计算温度,取1 8 ℃;t_pj为供暖期室外平均温度,取1 ℃;t _Wj为供暖期室外计算温度,取-5 ℃。

经计算,Q_pj=0.888 MW。

供暖期总供热量∑Q的计算公式如下:

式中:NP为供暖期时间,取141 d。

经计算,∑Q=10 823 GJ。

4  热源方案

根据该地区的能源禀赋,适合该项目的热源形式有市政供热(热源为燃煤锅炉)、空气源热泵、地热能。 虽然有市政热源,但目前供热能力已经饱和,根据国家和青岛市节能减排政策,也无增加传统热源的可能性。空气源热泵供热受场地限制,也较难实施。根据当地地热资源勘察成果,地温梯度为0.028~0.03 ℃/m,中深层地热资源储量丰富。可采用“只取热不取水”的换热方式,向地下1 500~3 000 m深处的高温岩层钻孔, 在钻孔中安装套管式换热器,通过换热器内工质的循环实现井内换热,将地下深处的热能导出,并通过专用高温热泵系统向地面建筑物供热。该取热方式不会对地下水造成破坏和污染,供热过程没有氮氧化物和二氧化碳排放。中深层地源热泵供暖系统原理如图3所示。

由于中深层地热换热井出水温度较高,且用户为地板辐射供暖,用户侧的设计供温度为45 ℃,回水温度为35 ℃,因此能实现两种供暖模式:一种是地热井直接供暖模式,另一种是地热井热泵换热供暖模式。 在供暖季室外温度较高或热负荷较小时,开启阀门1、 阀门3,关闭阀门2和阀门4,使用采用地热井直接供暖系统模式。当建筑热负荷增大时,关闭阀门1、阀门3,开启阀门2和阀门4,采用地热井热泵换热供热系统模式。

5  主要设备确定

5.1 中深层地热换热井

单个中深层地热井下换热器取热功率Qi的计算公式如下:

式中:T为地温梯度;Ks为岩土导热系数;H为中深层地热井下换热器安装深度。

根据该区域已进行的地温测试,井底岩层温度达 75.6 ℃,未供热时出水温度为46 ℃。计算确定新建2口深度为2 000 m的中深层地热井,地热换热井参数如表3所示。

5.2 热泵主机及辅助设备

增加1台水冷螺杆式地源热泵主机联合运行,中深层地源热泵机房主要设备材料如表4所示。

6  经济、环境效益分析

将中深层地源热泵系统、空气源热泵、天然气锅炉系统、市政热网系统的初投资和运行费用进行对比分析。

在能源方案对比中,中深层地源热泵系统、空气源热泵系统、天然气锅炉供暖系统需要购置设备主机和其他辅助设备,采用市政热网需要建设换热站,各供暖方案初投资对比如表5所示。

从表5中可以看出,中深层地热井费用投资比重很大,中深层地源热泵系统初投资费用最高,采用市政管网集中供热投资最低。

在运行过程中,中深层地源热泵系统、空气源热泵系统成本主要来自水电费、设备维护、人工费等, 天然气锅炉运行成本主要是燃气费、水费、设备维护、 人工,其中燃气费占据绝大比例。各供暖方案运行成本对比(含设备折旧)如表6所示。

各供暖方案投资回收期如表7所示。

从表7可知,市政管网和空气源热泵系统投入即回本。但受实际条件限制,以上两个方案均无法实施。 因此可供选择的方案为中深层地源热泵系统和天然气锅炉,虽然天然气锅炉方案投入即回本,但1.5 a后亏本,因此采用中深层地源热泵系统作为供热热源。

与常规方案相比,采用该方案每年将减少约3.516×108 MJ,减少颗粒物 135.15 t,减少二氧化硫排放57.6 t,具有较好的环境效益。

7  结论

文章以青岛胶州市某高层住宅小区供热系统设计对象,在当地能源禀赋和供热领域能源转型的基础上, 采用中深层无干扰地热能进行供热方案设计,确定地热换热井级相关主要设备的数量及参数,并从经济性和环保性方面进行分析,得出的主要结论如下:

(1)基于当地能源政策和能源禀赋,根据勘查结果,当地的中深层储量丰富,适宜采用中深层无干扰地热作为该项目的热源。

(2)与天然气锅炉系统对比,中深层无干扰供热系统初投资高,但运行1.5 a后,天然气锅炉系统出现亏本状态,中深层无干扰供热系统11 a后可收回成本, 且有较好的环境效益,节能效果明显。