1.地热供热调峰的必要性
室外温度与持续时间的度日值曲线说明,最低室外温度每个采暖季只有很短的时间。由于供热负荷与室外温度的降低基本上是呈正比例关系。因此,以供热负荷为纵坐标时与度日值曲线的形状是相同的。对直接式供热系统,如果建筑物的散热特性固定,并不考虑热水输运管线的散热损失随环境温度降低的变化,由式8-12计算得到的地热水利用温降将保持不变。因此,超过设计热负荷时的解决方法可以增加地热水流量,或者选用其他的热源补给,调峰设计比较简单。
间接式供热系统的调峰比较复杂。图8-11说明,在地热水流量不变的条件下,线性地增加循环水的温度可以适应室外温度的降低,起到调峰的目的,也可以通过增加换热面积以降低换热温差,但是循环供水温度不可能超过地热水出口温度,地热水温度不可能像锅炉一样有调节的能力。同时,图8-12说明,如果循环水温度不变,为了适应室外温度的降低,地热水流量应呈指数增加趋势,而不像直接式供热系统那样呈线性比例增加方式。反过来说:如果室外温度低于间接式地热供暖的室外设计温度,如图8-14,间接式供热系统的相对效率不是保持不变而是呈下降趋势。上两节的分析适用于环境温度高于设计温度的情形,如果实际环境温度低于设计的环境温度,而且没有调峰热源,室内温度Tr将下降。下降的主要原因是由于建筑物散热损失增加,循环水的回水温度降低,供水温度也降低,这样会就导致室内散热器散热性能的恶化。
若不采用调峰措施,如图8-15,设计点在A点,那么在绝大部分供暖期内系统运行在低于设计热负荷下,累计热负荷为线ABCD以下的面积,约占虚线矩形面积的一半,供热能力没有完全发挥,这样设备的初投资将增加很多,运行也不经济。而如果采用调峰措施,比如调峰有50%的供热能力,会节约近一半的地热供热负荷,节约下来的部分可以提供近相同的供热面积。地热供热与调峰措施相结合,扬长避短,可以充分利用地热水,提高地热水的利用效率。
图8-15 直接式与间接式地热调峰负荷比较
较理想的设计热负荷是略高于全年的平均热负荷C点。这样在整个采暖期内地热供热系统都处于运行状态。在仅靠地热供热系统不能满足热负荷情况下,处于C点的左侧,可以采用其他辅助热源进行调峰,比如锅炉、电加热、热泵系统等。调峰系统的经济性也应考虑初投资和运行费用两方面。地热供热系统是一个复杂系统,系统内各部分之间相互影响,因此,供热系统的经济评价应包括系统内的所有部分。
2.地热供热调峰设计及系统布置方法
从初投资和调节方便性上考虑,电加热调峰比较有吸引力,但是随着我国近年来北方地区的电力日趋紧张,电费涨价,城市电负荷增容税,电加热运行费用较高等方面考虑,采用热泵方式用于地热供热调峰的方案越来越普及。热泵用于地热供热调峰有两大优点,第一:地热排水可直接作为热源使用,可进一步降低地热排水温度,不仅提高了地热水的热利用效率,热泵也可以在较高的制热性能系数下工作。第二:蒸发器侧和冷凝器侧无需增加循环水泵,它们完全可以看作一个管道安装在管网系统上。
热泵调峰可以补充的累积热量为图8-15中的BCFE面积,但完全依赖热泵进行调峰也不经济。在最冷的一段时间内仍然有AE线段可能还需要考虑其他调峰方式,无论采用哪一种热源调峰,还必须考虑经济问题,设备长时间内被搁置不用也是不经济的。热泵的制热系数可以利用式8-23,根据冷凝器Tho和蒸发器的出口水温Tco进行估算。
COPH=10.376-0.24(Tho-Tco)+1.87×10-3(Tho-Tco)2 8-23
以间接式供热系统为例,采用热泵调峰可以有不同的布置方法,如地热水排水作为热泵蒸发器的热源,图8-16a,这种方案比较节能,但在蒸发器选材上应加以考虑。以循环水回水作为蒸发器的热源,图8-16b,这种方法进一步降低了循环水入换热站的入口温度,使换热站的换热效率提高,但要保证换热站循环水的出口温度不受影响,应增加换热面积。如果经换热站换热后循环水的出口温度比热泵冷凝器的工作介质冷凝温度低,可以采用图8-16所示的循环水流经冷凝器之后直接入热用户。如果冷凝器的温度小于换热站出口的循环水温度,必须采用单独循环系统经过冷凝器,然后并网或单独入热用户,如图8-17所示。采用锅炉调峰时一般可以把经过换热站或冷凝器的出口循环水作为锅炉的给水,如图8-18所示,当然为了在调解和控制上的灵活性,可以为蒸发器、冷凝器、锅炉等设备加旁通管路以减少循环水沿程阻力。
以间接式供热系统为例简单说明设计步骤:
1)选择供热系统布置方案;
图8-16(a) 地热水排水作为热泵蒸发器的热源
图8-16(b) 以循环水回水作为蒸发器的热源
图8-17 单独循环系统经过冷凝器,然后并网或单独入热用户
图8-18 换热站或冷凝器的出口循环水作为锅炉给水
2)选择供热负荷设计点;
3)选择地热水与循环水的最佳质量流量比;
4)设计换热站的换热器形式和传热面积,终端散热器的形式和传热面积;
5)选择供热系统布置方案;
6)选择供热负荷设计点;
7)选择地热水与循环水的最佳质量流量比;
8)设计换热站的换热器形式和传热面积,终端散热器的形式和传热面积返回3),寻找最佳换热站和终端散热器的设计,直到确定为止;
9)返回2)寻找最佳供热负荷设计点与调峰方案。
地暖开关示意图如下图：
地暖开关的开法如下：
1、红色阀门是供水和回水管路的主控阀门，控制整个房间采暖系统的开启和关闭。
2、竖直方向是开启，水平方向是关闭，适当调节这个小旋钮的打开角度，就可以控制进入地暖管的热水流量，控制温度。
3、上下两个金属横管，上面各有一个小旋钮，是排气阀，当空气排完以后，开始均匀的排出水，就可以关闭这个旋钮。
4、里面是地暖管，从最左侧开始，上下各第一根管组成一个回路。
拓展资料:
地暖的优点：
①舒适、卫生、保健：地面辐射供暖是最舒适的供暖方式，室内地表温度均匀，室温由下而上逐渐递减，给人以脚温头凉的良好感觉；不易造成污浊空气对流，室内空气洁净；改善血液循环，促进新陈代谢。
②节约空间、美化居室：室内取消了暖气片及其支管，增加使用面积，便于装修和家居布置，减少卫生死角。
③高效节能：辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内；传送过程中热量损失小；低温地面辐射供暖可实行分层、分户、分室控制，用户可根据情况进行调控，有效节约能源。
④热稳定性好：地面供暖地面层及混凝土层蓄热量大，热稳定性好，在间歇供暖的条件下，室内温度变化缓慢。
⑤运行费用低：较其它供暖设备节能约20%，可充分利用低温热水资源或利用电价政策，降低运行费用。
⑥使用寿命长：低温地面供暖中塑料管材或发热电缆埋入地下，稳定性好、不腐蚀，无人为破坏，使用寿命与建筑物同步。较对流供热节约维护和更换费用。
⑦适应性强：设备不受室外温度的影响，大大延长采暖系统的寿命。
⑧减少楼层噪音：中国隔层楼板一般选用厚度为15cm圆孔板或现浇砼板，其隔音效果极差，楼上人走动，就影响楼下。采用地板采暖，增加了保温层，具。常好的隔音效果。
⑨维护费用低：地板采暖系统采用材料防腐蚀、不生锈管道不会因为生锈而堵塞或流量变化，经混凝土回填后已做入建筑结构层，如果无人为损坏 50 年内不需维护，可以忽略不计。
人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下： 1、2O0～400℃直接发电及综合利用； 2、150～200℃双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加工； 3、10O～15O℃双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食品； 4、50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥； 5、20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工； 现在许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。 近年来，国外对地热能的非电力利用，也就是直接利用，十分重视。因为进行地热发电，热效率低，温度要求高。所谓热效率低。就是说，由于地热类型的不同，所采用的汽轮机类型的不同，热效率一般只有6.4～18．6％，大部分的热量白白地消耗掉。所谓温度要求高，就是说，利用地热能发电，对地下热水或蒸汽的温度要求，一般都要在150℃以上；否则，将严重地影响其经济性。而地热能的直接利用，不但能量的损耗要小得多，并且对地下热水的温度要求也低得多，从 15～180℃这样宽的温度范围均可利用。在全部地热资源中，这类中、低温地热资源是十分丰富的，远比高温地热资源大得多。但是，地热能的直接利用也有其局限性，由于受载热介质—热水输送距离的制约，一般来说，热源不宜离用热的城镇或居民点过远；不然，投资多，损耗大，经济性差，是划不来的。 目前地热能的直接利用发展十分迅速，已广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等各个方面，收到了良好的经济技术效益，节约了能源。地热能的直接利用，技术要求较低，所需设备也较为简易。在直接利用地热的系统中，尽管有时因地热流中的盐和泥沙的含量很低而可以对地热加以直接利用，但通常都是用泵将地热流抽上来，通过热交换器变成热气和热液后再使用。这些系统都是最简单的，使用的是常规的现成部件。 地热能直接利用中所用的热源温度大部分都在40℃以上。如果利用热泵技术，温度为20℃或低于20℃的热液源也可以被当作一种热源来使用（例如美国、加拿大、法国、瑞典及其他国家的做法）。热泵的工作原理与家用电冰箱相同，只不过电冰箱实际上是单向输热泵，而地热热泵则可双向输热。冬季，它从地球提取热量，然后提供给住宅或大楼（供热模式）；夏季，它从住宅或大楼提取热量，然后又提供给地球蓄存起来（空调模式）。不管是哪一种循环，水都是加热并蓄存起来，发挥了一个独立热水加热器的全部的或部分的功能。由于电流只能用来传热，不能用来产生热，因此地热泵将可以提供比自身消耗的能量高3～4倍的能量。它可以在很宽的地球温度范围内使用。在美国，地热泵系统每年以 20％的增长速度发展，而且未来还将以两位数的良好增长势头继续发展。据美国能源信息管理局预测，到2030年地热泵将为供暖、散热和水加热提供高达68Mt油当量的能量。 对于地热发电来说，如果地热资源的温度足够高，利用它的好方式就是发电。发出的电既可供给公共电网，也可为当地的工业加工提供动力。正常情况下，它被用于基本负荷发电，只在特殊情况下，才用于峰值负荷发电。其理由，一是对峰值负荷的控制比较困难，再就是容器的结垢和腐蚀问题，一旦容器和涡轮机内的液体不满和让空气进入，就会出现结垢和腐蚀问题。 总结上述，地热能利用在以下四方面起重要作用。 1．地热发电 地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。 地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。 地热发电示意图 （1）蒸汽型地热发电 蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引人汽轮发电机组发电，但在引人发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制（参考《资源》栏目有关文章）。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。 （2）热水型地热发电 热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：a、闪蒸系统。闪蒸系统如图1所示。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注人地层。 b、双循环系统。双循环系统的流程如图2所示。地热水首先流经热交换 器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进人汽轮机做功后进人凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注人地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效 的热交换器。 图1 热水型地热发电的闪蒸系统 图2 热水型地热发电的双循环系统 地热发电的前景是取决于如何开发利用地热储量大的干热岩资源。图3是利用干热岩发电的示意图。其关键技术是能否将深井打人热岩层中。美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫科学试验室正在对这一系统进行远景试验。 图3 利用于热岩发电的示意图 2．地热供暖 将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。因为这种利用方式简单、经济性好，倍受各国重视，特别是位于高寒地区的西方国家，其中冰岛开发利用得最好。该国早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取7740t80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。此外利用地热给工厂供热，如用作干燥谷物和食品的热源， 用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸桨加工厂。我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速，在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。 3．地热务农 地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量 等。 将地热能直接用于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地还利用地热大 力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等。 4．地热行医 地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如合碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症； 氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。 由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条 件，使温泉常常成为旅游胜地，吸弓怕批疗养者和旅游者。在日本就有1500多个温泉疗养院，每年吸引1亿人到这些疗养院休养。我国利用地热治疗疾病历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的行医作用，发展温泉疗养行业是大有可为的。 未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更精确地查明更多的地热资源；钻更深的钻井将地热从地层深处取出，因此地热利用也必将进人一个飞速发展的阶段。
1、低温热水辐射采暖（简称水暖） 水暖系统以低温热水为热媒，通过在室的地面（如水泥地面、瓷砖地面、木板地面）下铺设的专用地暖管道循环把地表加热，以整个地面作为散热面，均匀的向室辐射热量，是一种对房间微气候进行调节的节能采暖系统。
2、低温热水辐射采暖起源于北美、北欧的发达国家，该技术在欧洲已有多年的使用和发展历史，是一项在欧洲非常成熟且应用广泛的供热技术。
3、目前在我国也得到了日益广泛的应用。 低温热水辐射地板供暖具有热感舒适、热量均衡稳定、节能、免维修、方便管理等特点，是一种极为理想的供暖方式，特别适用于大面积、长时间采暖。
4、暖气供热原理是在室采暖管道输入已处理好的热源（经过加温的水源—热水一般是45°）通过在室采暖管道的安装的散热片，
5、在散热片里热水是一个散热过程而此时的室空气则是吸热过程（在分房间空间的大小，散热片的片数也是有相应的增加）。这样就可对室的冷空气进行加热升温的处理。
热站向小区供热的系统来说，换热站的作用就同供暖锅炉房一样，只是用换热器代替了锅炉。1.控制内容 （1）供水温度的自动控制（2）换热器与.
间接式地热供热系统与直接式不同,地热水不直接通过热用户散热器,而是通过换热站,将热量传递给供热管网循环水,温度降低后的地热水回灌或排放掉。由于地热水不经过供热管网,热用户中只是循环水,散热器的腐蚀性保护比较容易做到。同时,供热管网的循环泵由于主要是为了克服循环系统的沿程阻力,系统压力也比较稳定,在大规模集中地热供热中推荐采用间接式供热系统。缺点是由于增加了换热站,循环水进入热用户的温度会比地热水的出水温度低。两者之间的温度差反应换热站的温度损失,在循环水被地热水加热之后可以再通过锅炉加热或热泵用于调峰,如图8-8所示。
图8-8 地热间接式供热系统
由于在地热井和热用户散热器之间多了一个换热站,因此在热力计算上比直接式供热系统复杂。
1.热力参数设计
间接式供热系统的供热参数方程可以表示如下:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
其中常数C3,C4为
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中: ,其他的参数物理意义如下:Gh,Gc为地热水和供热管网循环水流量(kg/s);Ar,A为用户终端散热器和换热站的传热面积(m2);K为换热站的总传热系数(W/(m2℃));α,β为终端散热器的散热性能经验系数;F为换热站对1-1逆流流程的修正系数(可以查换热器设计表或图)。
间接式供热系统的供热量Qid可以通过求解方程式8-16的根得到,然后根据如下两式求解热用户的热水入口温度和回水温度:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
举一个设计例子来说明以上公式。设计参数如表8-7。
表8-7 间接式地热供热设计例参数
通过建立热平衡方程式,包括建筑物热损失、建筑物内散热器散热、管网循环水和换热站4部分的热量守恒方程,即可以得到关于有{Ts,Tb,Tr,Q}或者Tr固定不变{Ts,Tb,Tr,Gh}4个未知数的热量守恒方程式。如果是4个未知数,可以通过式8-15至式8-19求解得到,结果如图8-9a所示,地热水流量Gh不变,随着循环水流量的增加供热负荷有最大值出现,另外回水温度增加,室内温度Tr基本保持不变。如果Tr固定不变,可以计算在不同室外温度条件下需要的地热水最小流量(Gh)min。此时,计算方法是首先根据建筑物的热指标(式8-3)计算得到供热负荷Q。然后由式8-15至式8-17计算得到不同循环水Gc所需最小流量Gh。图8-9b给出了在地热水流量Gh不变的条件下,改变循环水流量时的最大供热负荷(对应最小的地热水流量),如果最大供热负荷点对应的是设计室温,那么在其他循环水流量下,室温会随着偏离最佳运行点而有所下降,但由图89a可知室温变化不大。
图8-9 热力参数随循环水流量的变化
2.间接式地热供热系统的热力调节
由于间接式供热系统有4个变量,即{Ts,Tb,Tr,Q}或者Tr固定时{Ts,Tb,Tr,Gh}之间相互耦合,因此调节方法与设计方案密切相关,并且间接式供热系统也有一些规律或者说原则性问题值得注意。
与直接式供热方式相同,间接式供热系统可以采用控制供热管网的入口温度的质调节方法,也可以采用控制循环水流量的量调节方法。但是,值得指出的是间接式供热系统的量调节不能靠直接改变循环水流量得到,二次循环水流量Gc的改变也会导致供热管网的入口温度Ts的改变。换热站的存在使供热管网的入口水温低于地热水温。一般情况下,换热器循环水通过换热站被地热水加热后的出水温度Ts及换热量Q随循环水流量Gc的变化关系如图8-10所示。图中标示出的地热水侧流量Gh保持不变。换热器的传热学分析表明循环水流量Gc应当运行在大于地热水流量Gh的范围内比较合理。文献给出了不同换热器传热性能条件下的换热器优化设计和控制调节方法,具体分析过程可参考该文献。在地热水流量固定,获取最大热量的最佳条件是:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中:R2为Gh/Gc, , ;Ph,Pc为以地热水和循环水侧定义的换热器温度效率;Ntuh为以地热水侧定义的传热单元数; ,r为换热器的污垢热阻;αh为地热水侧的传热系数; 为循环水侧与地热水侧单通道横截面积比的m次幂,如果是等截面通道板式换热器, =1则是板式换热器传热准则式Nu=CRemPrn中的经验指数。
求解式8-21是一个较繁琐的过程,这里仅给出几点结论:
1)一般对于等截面板式换热器,R2≈0.8,即Gh=0.8Gc为最佳运行条件。
2)污垢热阻增加后,要获得最佳运行需要增加循环水的流量,即R2＜0.8。
3)板片传热性能的强化,即m的增加对应的最佳运行条件R2＞0.8。
4)采用不等截面板式换热器时,最佳运行条件基本上可以认为是流量与流通截面的面积呈比例关系,较大截面面积侧为循环水侧。
图8-10 地热水经过中间换热站的换热量和出口温度随循环水流量的变化
图8-11和图8-12分别给出了间接式地热供热时的质调节和量调节示意曲线,值得指出的为了保持循环水侧管网入口温度Ts(图8-12)保持不变需调节地热水流量Gh。
图8-11 间接式地热供热时的质调节示意曲线
图8-12 间接式地热供热时的量调节示意曲线
3.直接与间接式供热系统的热特性比较
间接式供热系统的热利用效率要比直接式供热系统的低,它们热利用效率的差别也关系到其经济效益的对比和供热方案的选择。充分的可行性方案论证之前,应当对直接式供热系统和间接式供热系统的热性能区别有所了解。
以下我们给出两个定义:相对热效率η、相对最佳热效率ηopt。相对最佳热效率是指相同供热负荷条件下直接式供热系统所需的地热水流量与在最佳运行条件下间接式供热系统所需的地热水流量的比。如果间接式供热系统不是运行在最佳状态下,那么相对于最佳状态有个相对效率,记为ηid。相对热效率是指直接式供热系统所需的地热水流量与间接式供热系统所需的地热水流量比,间接式供热系统可能不是工作在最佳状态下。因此,相对热效率η与相对最佳热效率ηopt存在如下关系:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
式中:角标“id”为间接式;“d”为直接式;上角标*为地热水侧。
图8-13给出了在不同室外温度下,直接式供热和间接式供热需要的地热水流量。间接式供热系统是在最佳状态下运行的。可见在地热井水温度 固定的条件下,直接供热和间接供热的相对差别在 ,由于直接供热系统的排水温度低,在相同的热负荷下所需的地热水流量少。如果设计的热负荷小于实际的热负荷,那么会使间接式供热系统的运行效率降低,在环境温度降低时,直接式与间接式供热系统的差别越大。图8-14给出了在设计室外温度(-9℃)时改变供热面积(或热负荷Cq)条件下,相对热效率η随循环水流量的变化趋势。在设计热负荷下(Cq=1.0)的相对热效率可以达到80%,但如果热负荷增加(如Cq=1.2)相对热效率会下降,相反如果热负荷降低(如Cq=0.8)相对热效率会增加。同时图中还显示出在热负荷增加的情况下,循环水流量应随之增加以保证间接式供热系统运行在较佳的工作状态,了解这一点对调节和控制间接式供热系统非常重要。
图8-13 不同室外温度下供热需要的地热水流量
图8-14 相对热效率η随循环水流量的变化趋势
间接式供热系统的保守设计将使其运行在较高的相对热效率下,保守的设计意味着同时增加终端散热器的面积和换热站换热器的面积,单纯地增加一方的面积带来的收益不大,优化设计系统换热面积的方法可见参考文献。
1.地热直供式供热的一些特点
地热直接供热方式是指地热水直接通过热用户,然后排放掉或回灌。这种供热方式设计结构简单,如图8 4所示。在地热水进入热用户之前根据水质条件可以增设除砂器,为调解进入热用户的温度增设供热调峰装置和混水器等。如果采用锅炉调峰装置,地热水相当于锅炉供水。如果采用热泵调峰,一般以通过热用户后排放之前的地热水作为热源为热泵的蒸发器提供热量。使地热水的排放温度进一步降低。
图8-4 地热直接式供热系统
一般采用地热直接供热方式有些限制条件。其一:地热水的腐蚀性较低,即含有较低的诱导化学腐蚀的一些成分,如氯离子、硫酸根离子等。地热水的化学腐蚀性是相对而言的,即指散热器和管网系统的腐蚀与供热系统的运行管理状况有很大关系,即使含有化学腐蚀性成分,如果严格的控制系统内的含氧量将会大大减少腐蚀速度。其二:地热管网系统的结垢控制,尽管低温地热水不像高温两相地热流体的结垢趋势那么强,但是如果有结垢出现将影响系统的散热性能,降低地热水的有效热利用率,因此在选用地热直接供热方式之前,应对地热水的腐蚀和结垢趋势进行充分的论证。其三:由于直接式地热供热系统的水力调节性较差,在系统的压力平衡上应加以考虑,一般不宜用于高层建筑的供热,因为此时地热水泵的承载扬程过高,水头也难以稳定。但是,由于直供式是开口系统,完全保证系统的密闭性是不可能的。所以,对于开口系统腐蚀的可能性还是不能忽视的。
除了以上主要限制条件或一些缺点外,直接式地热供热也有其优点,比如与间接式地热供热方式比较温差损失小供热效率高、初投资少。
2.地热直供式设计与调节方法
由于地热水具有出水温度基本恒定的特点,为了能充分利用地热水的热能,供热系统应尽量降低地热水的排放温度。显然,遵循常规的锅炉设计将不利于地热水的有效利用。除非采用调峰装置,要想增加供、回水之间的温度差,唯一的途径是加大热用户的终端散热器的散热面积。那么,针对不同的地热井出水温度要想达到设计要求,如何确定散热器的面积增加比例? 在这种设计下如何采用质调节? 还应从供暖的热力学特征分析入手。以下给出了在没有调峰装置条件下的直接供热设计方法。当然,从热力学节能的角度出发,合理的供热设计应当增加调峰措施(调峰承担尖峰负荷),在大部分供热时间内采用地热直接供热(地热承担的基础负荷),而仅在很短的时间里采用地热供热加调峰装置,这样能充分利用各自的能源条件的优点而舍去它们的缺点。本节的分析适合没有调峰情况下的地热直接供热系统的设计,或者有调峰装置但没有运行情况下的供热系统调节。
对于常规供热系统中的主要热力参数有如下关系式:
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式中:Tr为室内设计温度(℃);Ta为室外气温(℃);T’a为标准设计工况下的室外设计气温(℃);T’s为标准设计工况下的管网供水温度(℃);T’b为标准设计工况下的管网排水温度(℃);Ts为室外气温Ta下的管网供水温度(℃);Tb为室外气温Ta下的管网排水温度(℃);β为与散热器传热性能有关的经验系数(℃); 为实际供水流量与标准设计供水流量比; 为实际供热负荷与标准设计供热负荷的比。
上式中包括3个等式和4个未知量,即供水温度Ts、排水温度Tb、热负荷比 和质量流量比 。为了求出其中的3个变量,必须对其中一个变量进行假设。如假设 ,即所谓的质调节问题。
假设有一口地热井出水温度为85℃,要想满足常规锅炉设计的标准热负荷,比如95℃给水温度,70℃回水温度,如通过式8 8计算得到地热水的回水温度应为80℃。利用温度差只有5℃,质量流量比 为5,这显然是不合理的。造成这一问题的原因是终端散热器的设计面积小,因此,对地热直接供热系统,应对供热设计方程式8 8加以修正。
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图8-5 常规供热系统中的供回水温度随室外温度的变化
在式8 9中,考虑到利用地热水的温差增大后,采用算术平均温差会对计算结果带来较大误差,所以第三部分采用了对数平均温差。 是终端散热器的增加比。假设此时地热水供水温度为地热井的出口水温 ,排放地热水温度为 ,在满足相同的标准设计热负荷下,散热器的面积增加比 为
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同时可以获得质量流量比 :
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由于地热水温基本固定不变,在确定排放水温 的条件下,通过式8-10和式8-11确定散热器的面积比和质量流量比。例如:设地热水温度为 ,要想获得排放温度 ,即40℃的换热温差,室内有效设计温度Tr=18℃,β=0.35(铸铁四柱式散热器),得到面积比 为1.657,质量流量比 为0.625。
通过以上的相同计算步骤,可以计算得到不同地热井出水温度,不同设计排放温度情况下的散热器面积比 和质量流量比 ,如图8-6所示。如果知道常规锅炉设计的参数值即可求出低温地热水供热情况下的设计参数。
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对一个特定的建筑物,当选择了散热器形式和面积大小后,直接式供热系统的供热能力Qd和散热器的进出口水温度ΔT=Ts-Tb可以通过求解下面的超越方程计算得到。
值得指出的是,通过式8-10、式8-11均可得到设计参数。如果采用调峰时的设计参数,可能会造成散热器面积比 较大,初投资增加很多。合理的设计应当考虑增设其他供热形式的调峰措施,使地热水的设计热指标降低下来。
供热负荷的调节问题是在完成供热设计之后进行的,是当室外气温偏离设计室外气温时如何调节供热系统的一些热力参数使其达到匹配,从而实现节能的目的。直接供热系统的调节方法主要有两种分类方法:按地热水的连续供给与否分为连续性运行方式调节、间歇式运行方式调节,按改变散热器入水温度与否分为质调节和改变流量的量调节方法。每种调节方法可以有不同的实现措施。比如:改变流量的方法有直接节流法、井口回流法、井泵变频调速法等。
如果不通过改变质量流量的方法进行调节可以采用间歇式运行方法,但间歇式运行是频繁地开启井泵,会对井泵的使用寿命造成损害,同时系统内的压力不稳定性会造成系统内部局部负压而吸入外界大气的氧气,加速管网的腐蚀。除了需要考虑以上的缺点外,还必须考虑间歇的频率和时间,这与建筑物的蓄热能力有直接的关系。因此,间歇式调节方法有很多弊端。
考虑连续运行的质调节方法之一就是增加混水器,使一部分地热排放水回到给水管,减少地热水流量,降低管网的入口水温。通过合理地控制混水比例,可以有效地匹配外界环境的温度变化,适应不同热负荷工况下的需要。以下介绍一种计算适当混水比例的简便方法。
为了求解不同室外温度下的混水比例,首先确定质调节的供回水温度。由式8-9的第一、三、四部分可得:
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其中, , C2=T ’s-T ’b,假设混水比例为R ,即R为回水质量与总供水质量流量的百分比。可以通过能量守恒方程计算得到不同室外温度下的混水比例R为
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同样以上面的参数为例,面积比 为1.657,质量流量比 为0.625,R随室外温度的变化规律如图8-7所示。有关混水器的设计可参考一些供热工程手册。
图8-7 R随室外温度的变化规律
