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:T_r为室内设计温度(℃);T_a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(℃);T_s为室外气温T_a下的管网供水温度(℃);T_b为室外气温T_a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T_s、排水温度T_b、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T_r=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Q_d和散热器的进出口水温度ΔT=T_s-T_b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