地热直接式供热
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:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
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。
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
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。
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
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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
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。
GB 50019-2015 《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》
GB 50495-2019《太阳能供热采暖工程技术标准》
《城镇供热管网设计标准》2018（征求意见稿）
采暖设计方面主要就是这些。
2)管道保温材料必须采用聚氨脂，并直接在钢管四周发泡完成，切勿采用预 制瓦块式的复合保温材料， 以保证整个聚氨脂保温层与钢管之间产生强大的粘结 力；
3)直埋管段中一般不宜连接什么阀件，如须安装平衡阀、入户总阀等应设在 户内，如果必须在直埋管段上安装阀件，则必须附阀件紧按套管伸缩器，以便日 后可以拆卸检修阀件。这时的伸缩器是不作补偿用的，故在它们两端 2m 深处直 埋管段上各捣制一座钢筋混凝土固定墩以防止直埋管产生伸缩位移；
4)当直埋管与地沟或架空混合敷设时，直埋管快伸出土壤 2m 处应捣制一座 钢筋混凝土；
5)如遇直埋敷设支管与非直埋主管连接时， 直埋支管接近主管处应留一段地 沟以便主管伸缩位移时， 支管可随之产生横向摆动，以防止与主管连接处产生强 大剪力而破坏其焊缝，此段地沟敷设的长度应按支管管径弹性应力条件决定；
6)固定墩结构一般应通过反推力荷重计算确定，但计算时一般很难准确，特 别是埋土与玻璃钢管壁的摩擦系数，影响因素较多， 取值范围太大根本无法实际 应用。对 DN200～DN300 钢管计算，结果一般达 20～30t，故固定墩可采用 C20 混凝土，双向配筋主筋应与钢管焊接，固定墩厚 300mm，上下左右均伸出钢管 壁 300mm 为妥；
7)供、回水双管平行直埋时，宜采取斜向布置，以便连接分支管时，可避免 支管上绕与下绕跨管焊接弯头，使之难以抵抗轴向应力，造成焊缝破坏；
8)检查井数量要求少，不应设在交通要道和人行车流频繁处，在管道分支有 阀门处及其他各种阀门处； 套筒补偿器处；需要经常维修的设备和部件处应设检 查井；
9)直埋管埋深应按规范规定，太浅则不能无补偿直埋。
2、工程概括。对工程的位置以及材料等进行概括。
3、主要工序施工方法。对施工的顺序以及方法进行详细说明。
