農(nóng)村中深層地熱供暖運行工況分析

岳玉亮 齊月松 蔡姝平 張彬彬

1.中國建筑技術集團有限公司 北京 100013 2.北京市工業(yè)設計研究院有限公司 北京 100055 3.北京華城永信工程管理有限公司 北京 102200

引言

供暖能耗是建筑能耗重要的組成部分，近年來隨著供熱規(guī)模的不斷增大供暖能耗迅速增長，當前供熱面積仍以每年2%-3%的速度增長[1]。截至2016年底，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億m2，其中農(nóng)村建筑取暖面積65億m2[2]。我國農(nóng)村地區(qū)住房能源消耗占總體能耗的7.12%，而在北方地區(qū)冬季取暖能耗約占住房總能耗的50%[3]。地熱供暖是指利用地熱能為主要熱源的供熱系統(tǒng)，目前主要集中在北京、天津、西安、鄭州、鞍山等大中城市以及黑龍江大慶、河北霸州、固安、牛駝鎮(zhèn)等油區(qū)城鎮(zhèn)[4]。雖然目前北方農(nóng)村地區(qū)地熱能集中供暖研究相對缺乏，但在國家注重農(nóng)村清潔及低品位能源供暖的大背景下，地熱能供暖系統(tǒng)作為一種重要的節(jié)能手段得到了大力倡導，隨著其應用規(guī)模的擴大，其建設及運行方式研究變得尤為重要。

本文依托河北某農(nóng)村地熱站集中供暖工程，通過對冬季供暖實測運行數(shù)據(jù)分析，定量判斷了地熱站供暖能耗現(xiàn)狀及供暖系統(tǒng)運行中存在的一些問題，為以后農(nóng)村地區(qū)地熱能供暖推廣提供技術參考。

1 項目概況

該農(nóng)村地熱能供暖項目位于河北地區(qū)，總供暖面積為6.963萬m2，供熱設計負荷5222kW。地熱井深1400m，水溫70℃，單井水量120m3·h-1，1抽1灌。由于本項目1口抽水井水量不能滿足供暖需求，故從附近地熱站房取41m3·h-1的地熱水，引至本項目地熱站房。因此，共161m3·h-1的地熱水通過板式換熱器為建筑供熱，共配置2臺板換，水源側供回水溫度為70/42℃,用戶側供回水溫度55/40℃。地熱水供熱系統(tǒng)原理及測試數(shù)據(jù)點位簡圖如圖1。

圖1 地熱水供熱系統(tǒng)原理及測試數(shù)據(jù)點位簡圖

2 測點數(shù)據(jù)分析

選取供暖期11月中旬至3月中旬各月典型日共33天運行數(shù)據(jù)進行分析，主要測試結果如下。

2.1 地熱站冬季逐日運行負荷及供暖期能耗

根據(jù)能量守恒原理，板式換熱器水源側供熱量和用戶側供熱量應該相等。但由于儀表本身誤差，用戶側與水源側測點數(shù)據(jù)存在一些差距。經(jīng)計算對比，板換水源側與用戶側熱負荷計算數(shù)值平均值偏差8.3%左右。

由下圖可知，整個供暖期室外日均溫度波動較大，但運行負荷相對平穩(wěn)，地熱站用戶側運行負荷與室外溫度間存在相關性。經(jīng)計算，用戶側供暖期最大運行負荷4914kW，與設計峰值負荷5222kW差308kW，供暖期平均熱負荷3780kW，平均熱指標54.3W/m2, 供暖期總耗熱量約37206GJ，單位建筑面積耗熱量數(shù)值0.53GJ·m-2·a。民用建筑能耗標準河北?。ㄊ鞘校┙ㄖ臒崃恐笜思s束值為0.23GJ·m-2·a。由此可見，本項目農(nóng)宅冬季供暖耗熱量指標是河北省標準2.3倍。

圖2 地熱站冬季逐日運行負荷

2.2 地熱站冬季用戶側及水源側運行水溫

圖3 地熱站冬季逐日運行負荷

由上圖可知，供暖期內(nèi)地熱站用戶側供暖運行供回水溫度比較穩(wěn)定，供水溫度平均值51.4℃，回水溫度平均值42℃，供回水溫差平均值9.4℃。水源側供水溫度穩(wěn)定，始終保持在72℃，回水溫度略有波動，回水最低溫度46℃，供暖期回水平均溫度49.13℃，沒有出現(xiàn)設計工況地熱回水42℃工況。

圖4 用戶側運行供回水溫差在不同區(qū)間占比

圖5 水源側運行供回水溫差在不同區(qū)間占比

由上圖可知，用戶側供回水溫差ΔT≤7℃數(shù)量占比3%，溫差7℃＜ΔT≤9℃數(shù)量占比23%，溫差9℃＜ΔT≤11℃數(shù)量占比74%，溫差11℃＜ΔT≤13℃和13℃＜ΔT≤15℃數(shù)量占比0%。供暖期用戶側溫差集中7～11℃，沒有實現(xiàn)設計溫差15℃運行工況。水源側供回水溫差ΔT≤20℃數(shù)量占比4%，溫差20℃＜ΔT≤22℃數(shù)量占比31%，溫差22℃＜ΔT≤24℃數(shù)量占比24%，溫差24℃＜ΔT≤26℃數(shù)量占比41%，溫差26℃＜ΔT≤28℃數(shù)量占比0%。供暖期水源側溫差集中在20～26℃，沒有實現(xiàn)設計溫差28℃運行要求。

2.3 地熱站用戶側及水源側循環(huán)泵流量及頻率

圖6 地熱站用戶側及水源側水泵運行流量

圖7 水源側運行供回水溫差在不同區(qū)間占比

由上圖可知，供暖期內(nèi)地熱站用戶側循環(huán)水泵流量及頻率比較穩(wěn)定，水泵變頻運行隨外界氣溫變化有一定規(guī)律性。供暖初末期室外氣溫高，水泵頻率降低，水泵流量減少，節(jié)能運行。供暖中期水泵基本保持不變。用戶側水泵頻率數(shù)值變化范圍44～50Hz，流量變化范圍290～400m3·h-1，用戶側循環(huán)泵平均流量358m3·h-1。水源側水泵頻率數(shù)值變化范圍45～50Hz，流量變化范圍110～159m3·h-1，水源側取水泵平均流量135.7m3·h-1。水泵設計選型均滿足實際運行需求。

2.4 地熱站用戶側及水源側循環(huán)泵運行耗電量

圖8 地熱站用戶側及水源側水泵運行功率及站房電表總計數(shù)

由上圖可知，地熱站用戶側循環(huán)泵與水源側取水泵供暖初末期運行功率低，供暖中期運行功率高，與機房內(nèi)電表總耗電量變化規(guī)律一致。供暖期水源側取水泵及用戶側循環(huán)泵電耗為451652kWh，單位供暖面積水泵耗電量指標為6.5kWh·m-2。供暖期機房電表總耗電量計數(shù)為501402kWh，單位供暖面積總用電量指標為7.2kWh·m-2。

3 供熱系統(tǒng)熱量調(diào)節(jié)法

本項目地熱換熱站實際運行時采用根據(jù)室外天氣情況手動調(diào)節(jié)水泵頻率，保證用戶側供水溫度及流量趨近設計值。當熱用戶室內(nèi)滿足14～16℃設計溫度要求且沒有用戶投訴情況下，一般不再調(diào)節(jié)水泵頻率。此種依據(jù)管理人員經(jīng)驗的調(diào)節(jié)方法，難以實現(xiàn)準確的供暖節(jié)能運行方式。

熱量調(diào)節(jié)法是通過熱量檢測裝置根據(jù)用戶的要求直接控制供熱負荷和供熱量，系統(tǒng)的循環(huán)水量要視管網(wǎng)地水力失調(diào)程度而定，通常不小于設計流量的70%.而熱媒溫度是隨供暖系統(tǒng)熱平衡關系自然形成的現(xiàn)象，不必人為控制[5]。

根據(jù)本項目地熱站運行情況，擬采用根據(jù)室外溫度、日供暖負荷、日累計耗熱量以及系統(tǒng)用戶參考供回水溫度的方法，指導管理人員計量供熱，按需調(diào)節(jié)。設定當室外日均溫度T＞0℃時，用戶側水泵按照設計流量70%運行，當室外日均溫度-3℃≤T≤-0℃時，用戶側循環(huán)水泵按照設計流量80%運行，當室外日均溫度T＜-3℃時，用戶側循環(huán)水泵按照設計流量100%運行。水源側取水泵按照負荷需求及供水70℃，回灌42℃運行要求變流量運行。相關計算結果整理如下：

由上圖9可知，根據(jù)建筑圍護結構傳熱基本原理Q熱=KxFx(tn-tw)，當室內(nèi)溫度tn保持不變時，供暖熱負荷隨室外溫度tw降低而增大。由上圖10可知，當熱負荷確定，系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行時，供回水溫度就可以確定，根據(jù)此供回水溫度調(diào)節(jié)運行，室內(nèi)溫度就可以達到設計值。由下圖11可知，當采用分階段變流量熱量調(diào)節(jié)法運行時，地熱站水泵耗電量與室外溫度出現(xiàn)理論關聯(lián)性，即室外溫度高時，水泵耗電量小。通過計算，供暖期水泵總電耗為344268kWh，單位面積水泵耗電量4.9kWh·m-2。與人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)供暖方式相比，可節(jié)電25%左右。

圖9 不同室外溫度下的熱負荷及日累計耗熱量

圖10 不同室外溫度下用戶側供回水溫度

圖11 不同室外溫度下水源側及用戶側水泵功率累加日均值

4 結論

本文借助河北某農(nóng)村地熱站冬季供暖項目，采用測試數(shù)據(jù)分析及相關理論計算的方法，對地熱站水源側及用戶側供暖運行溫度，溫差、流量等進行分析，以判斷供熱系統(tǒng)運行策略及運行能耗。運用集中供熱系統(tǒng)熱量調(diào)節(jié)理論，對地熱站供暖運行方式進行優(yōu)化，考慮不同室外溫度供熱系統(tǒng)的運行負荷、運行水溫及水泵耗電量，得出如下結論：

(1) 由于本項目圍護結構保溫性能較差，項目供暖期總耗熱量為37206GJ，單位建筑面積耗熱量為0.53GJ·m-2·a，其數(shù)值是用建筑能耗標準河北?。ㄊ鞘校┙ㄖ臒崃恐笜思s束值2.3倍。

(2) 項目供暖初末期雖然根據(jù)管理人員經(jīng)驗進行了水泵變頻調(diào)節(jié)，但從運行數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)，水源側取水泵及用戶側循環(huán)泵變頻運行與室外溫度的關聯(lián)性較弱，耗電量較大，均沒有達到設計工況下的小流量大溫差節(jié)能運行模式。

(3) 當采用分階段變流量的熱量調(diào)節(jié)法優(yōu)化運行時，地熱站水泵耗電量與室外溫度理論上關聯(lián)性較強，即室外溫度高時，機房水泵耗電量小。與原先管理人員人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)供暖方式相比，可節(jié)約25%左右運行耗電量。