低溫地熱運用熱泵供熱的技術經濟性

  文 摘:結合某工程可行性研究,分析了低溫地熱運用熱泵供暖、供生活熱水的技術經濟性,并與傳統鍋爐供熱方式進行比較,討論了地熱熱泵應用的可行性。關鍵詞:地熱熱泵,技術經濟性,供暖,生活熱水

 

  0 引言 地熱作為一種清潔能源,應用于采暖和供應生活熱水的優勢十分明顯,在我國北方得到迅速發展。國內地熱供熱應用主要集中在天津、北京、河北、西安等地。天津地熱供熱應用較為普 遍,目前地熱供暖面積已達500萬平方米,按替代燃煤鍋爐供暖計算,每個供暖季替代了11萬噸以上的煤,取得了良好的環境保護效益。

 

  地熱供暖中一個突出的問題是供暖后排水的地熱水溫度比較高,一般在45℃以上,有的甚至達60℃,造成了資源的浪費和環境熱污染。另外,有少數地熱田溫度低(低于55℃)。這兩類低溫熱源用于供暖時需進一步升溫,如采用傳統的鍋爐加熱方式,供暖后的排放水溫度仍將在40℃以上。如采用熱泵技術供暖,不僅可進一步回收地熱的排放水熱量,使排放水溫度達到環保要求,同時還加大了地熱的供暖能力,可使一口井相當于一口半至兩口井。

 

  1 地熱熱泵供熱方案

 

  以往計算分析說明[:地熱熱泵供暖系統,以地熱加熱泵調峰供暖方式的供暖成本和投 圖1地熱熱泵調峰供暖與生活熱水供應系統示意圖資低于熱泵單獨作熱源的供暖方式。

 

  本文選取地熱熱泵調峰供暖作為基本系統,對三種地熱熱泵供熱方案進行技術經濟性分析。

 

  111 地熱熱泵調峰供暖系統

 

  地熱熱泵調峰供暖方案的原理系統如圖1所示。地熱為供暖基本熱源,滿足采暖系統的基本熱負荷要求。到了嚴寒期,地熱熱量不能滿足采暖熱負荷要求,啟用熱泵調峰以提高采暖循環供水溫度,達到調峰供暖的要求。 該系統中,地熱供暖后的尾水作為熱泵蒸發 器的熱源,因此地熱的排放溫度將會進一步降低。

 

  112 地熱熱泵調峰供暖與生活熱水供應

 

  該系統在滿足方案1供暖要求同時還兼顧生活熱水的供應,即利用地熱供暖后的尾水作為生活熱水供應。與單一地熱供暖相比較,地熱供暖與生活熱水供應不僅利用了地熱的“熱”,而且利用了地熱的“水”。

 

  由于地熱供暖后的尾水溫度低于45℃,需要有將尾水加熱升溫的系統。這里設計以一定量55℃地熱供水與一定量地熱尾水相混合,達到供應45℃的生活熱方案,如圖1中的儲熱水箱部分。這種方案涉及到要降低地熱供暖的供水流量,即降低地熱的供熱量,因此相應地要加大熱泵的調峰量。

 

  113 地熱熱泵調峰供暖與生活熱水供應兼顧夏季空調

 

  在滿足上述方案2地熱熱泵供熱的基礎上,考慮兼顧夏季空調。熱泵的工作原理與制冷機相同,二者具有相同的主要部件,只是運行的溫度、壓力范圍不同。熱泵機組一機兩用,提高了設備的利用率,相應減少了采暖、空調系統的設備初投資,同時電力初裝費只一次性計入,投資的經濟性得以提高。

 

  熱泵空調機一機兩用,并且機組在夏季空調的運行時間要比冬季調峰供暖的運行時間長,因此可以把熱泵初投資的50%甚至60%以上計入空調系統。

 

  2地熱熱泵供熱系統技術經濟分析

 

  按上面提出的三種地熱熱泵供熱方案和兩類地熱資源——地熱利用后的尾水或新鉆地熱井,作供暖基本熱源加熱泵調峰進行供熱。進行方案技術經濟參數計算和分析的依據是北京某工程的實際參數:地熱供水溫度55℃,流量80th;采暖回水溫度按35℃計算;采暖面積5萬 平方米,按建筑節能要求,采暖熱指標為50W平方米;當地能源價格為:電價0136元kWh,地熱水費013元噸,自來水水費017元噸,煤價230元噸,天然氣價格118元立方米。 由于采暖供回水溫度偏低,終端散熱器應合理選擇。計算發現,對55℃以下的低溫采暖,如采用常規暖氣散熱器,所需要的散熱器面積至少要增加50%,相應投資也將增加50%。目前一種新興的地板輻射散熱器正在興起和使用,地板輻射散熱器埋在房間地板下,散熱方式是由下向上輻射散熱,適合人的身體和生活需要。這一特點,即使是降低它的供回水溫度,如采用50℃35℃,對它的散熱效果也沒有太大影響。這使得地板輻射散熱器在低溫采暖中有很強的競爭力。因此,可結合建筑實際情況,終端可采用暖氣散熱器,或采用地板輻射散熱器。 根據上面所提到的條件和參數,對三種地熱熱泵供熱方案進行具體的計算,結果見表1、表2。

 

  表1列出了不同采暖終端,新鉆地熱井系統的投資和單位運行成本的計算結果。從三種地熱供熱方案看,方案1的投資低,供暖成本也低,但沒有生活熱水供應。綜合比較,方案3既有供暖,又有生活熱水供應,同時還兼顧夏季空調,運行成本最低,投資費用處在方案1和方案2之間,可作為優選方案。

 

  表2列出了計入和不計地熱井時的經濟參數計算結果。不計入地熱井時,系統只有熱泵、管網和采暖終端,沒有地熱井的投資和運行費用,其供暖成本只有計入地熱井系統的55%左右。

 

  3 地熱熱泵供熱與鍋爐供熱的比較 通常用戶比較關心的是,地熱熱泵供熱能否與傳統鍋爐供熱相競爭,為此計算了燃煤、燃 氣鍋爐供暖及生活熱水供應的初投資和單位成本,見表2,并將地熱熱泵供熱方案(有無地熱井費用兩種情況)與鍋爐供熱二者進行投資和成本比較。 由表2可見,燃煤鍋爐的供暖單位成本的13165元m2 ,地熱熱泵調峰供暖方案3的供暖單位成本為15141元m2,比鍋爐高13%,不計地熱井時供暖成本為7170元m2 ,約只有鍋爐的56%。但燃氣鍋爐的供暖成本已超過了供暖收費標準20元m2。 比較生活熱水供應成本,地熱只有1135元噸,低于燃煤鍋爐4150元噸,低于燃氣鍋爐11132元噸。 應當說明,當地熱與鍋爐供熱方案進行對比時,占地面積引起的經濟效益差別不能忽視。鍋爐房要包括煤、灰場和運輸通道,通常地熱井方案占地可能只及鍋爐房方案的15左右。

 

  4 地熱熱泵供熱的節能環保效益 與傳統鍋爐供熱相比,采用地熱熱泵供熱可以取得節水和節煤效益。如按生活熱水供應量200噸日計算,年供水量為73000噸,采用地熱供應生活熱水取代鍋爐加熱自來水方式,則年節水量為73000噸,這不僅節約水費約5萬元,更主要的是節省了清潔水,這對缺水地區是非常有意義的。 按5萬m2的建筑采暖,年單位耗煤量21153kg/m2 計算,采用地熱熱泵供暖替代鍋爐供暖,每個采暖季可節省耗煤量1077噸。另外按生活熱水供應量73000噸年,如采用鍋爐加熱,計算出年耗煤量為817噸年。

 

  這樣可以計算出采用地熱供熱替代鍋爐供熱,每年可節煤1894噸,按煤價230元噸計算,相當于節省4315萬元。 替代燃煤鍋爐供熱,年節煤1894噸所減少的對空氣污染量,可計算出相應治理污染量所需的費用約1417萬元。 按上述所計算的替代燃煤鍋爐供熱所達到的節水、節煤和環保效益,可以得出一個總的效益值: 5  萬元(節水)+4315萬元(節煤)+1417萬元(環保)=6312萬元年 這是地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱所取得的間接效益。

 

  5 結 論

 

  根據技術經濟評價結果,認為地熱熱泵供熱方案3(供暖、生活熱水、空調)為優選方案。 地熱熱泵供熱系統,當計入地熱井時供暖單位成本為15141元m2,與燃煤鍋爐相當,不 計地熱井時僅為7170元/平方米 ,約只有鍋爐的60%,表明回收地熱尾水的地熱熱泵調峰供暖成  本是很低的。 地熱熱泵調峰供暖提高了地熱利用率,同時降低了地熱排水溫度,  達到環保排放標準。地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱具有節水、節煤和環保效益。