某住宅小區(qū)無干擾中深層地熱供暖系統(tǒng)方案設計

1  工程概況

項目地址為青島某地塊。工程建設規(guī)模為21棟高層住宅,層數(shù)為地上16/17層,地下1層,總建筑面積為16.74 hm²。 在建筑功能布局方面,地上16/17層為住宅,地下1層為機動車庫、電動汽車庫及設備用房?？?a href="http://www.xianzinvrenfang.com/t/供暖面積.html" >供暖面積為 13 hm²,受回遷入住率的影響,近期供暖面積為3 hm²。

2  氣象參數(shù)

參考《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(GB 50736—2012),青島市冬季室外設計參數(shù)如表1所示

以青島市全年逐時氣象資料作為計算常年負荷用的氣象資料,該資料包括青島市室外全年8 760 h逐時干球溫度、相對濕度等參數(shù),經(jīng)分析,青島市全年日溫度統(tǒng)計如圖1所示,青島市全年溫度統(tǒng)計如圖2所示。

對氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,全年溫度低于-5 ℃ 的時間為536 h,約占供熱時間的15%,全年溫度為-5~5 ℃的時間為2 197 h,約占供熱時間的65%, 全年溫度為5 ℃以上的時間約占供熱時間的20%。

3  熱負荷計算

根據(jù)青島市各類熱用戶的比例及使用特點,參照 《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計標準》(CJJ/T 34—2022)推薦的各類建筑物供暖熱指標,得出供暖熱指標推薦值如表 2所示,確定建筑物供暖綜合熱指標為40 W/m2。

根據(jù)建筑面積及供暖熱指標,該項目供暖設計總熱負荷為1.2 MW。平均負荷Q_pj的計算公式如下:

式中:Q_j為設計負荷;t _n為供暖室內(nèi)計算溫度,取1 8 ℃;t_pj為供暖期室外平均溫度,取1 ℃;t _Wj為供暖期室外計算溫度,取-5 ℃。

經(jīng)計算,Q_pj=0.888 MW。

供暖期總供熱量∑Q的計算公式如下:

式中:NP為供暖期時間,取141 d。

經(jīng)計算,∑Q=10 823 GJ。

4  熱源方案

根據(jù)該地區(qū)的能源稟賦,適合該項目的熱源形式有市政供熱(熱源為燃煤鍋爐)、空氣源熱泵、地熱能。 雖然有市政熱源,但目前供熱能力已經(jīng)飽和,根據(jù)國家和青島市節(jié)能減排政策,也無增加傳統(tǒng)熱源的可能性。空氣源熱泵供熱受場地限制,也較難實施。根據(jù)當?shù)?a href="http://www.xianzinvrenfang.com/t/地熱資源勘察.html" >地熱資源勘察成果,地溫梯度為0.028~0.03 ℃/m,中深層地熱資源儲量豐富?？刹捎谩爸?a href="http://www.xianzinvrenfang.com/t/取熱不取水.html" >取熱不取水”的換熱方式,向地下1 500~3 000 m深處的高溫巖層鉆孔, 在鉆孔中安裝套管式換熱器,通過換熱器內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)實現(xiàn)井內(nèi)換熱,將地下深處的熱能導出,并通過專用高溫熱泵系統(tǒng)向地面建筑物供熱。該取熱方式不會對地下水造成破壞和污染,供熱過程沒有氮氧化物和二氧化碳排放。中深層地源熱泵供暖系統(tǒng)原理如圖3所示。

由于中深層地熱換熱井出水溫度較高,且用戶為地板輻射供暖,用戶側(cè)的設計供溫度為45 ℃,回水溫度為35 ℃,因此能實現(xiàn)兩種供暖模式:一種是地熱井直接供暖模式,另一種是地熱井熱泵換熱供暖模式。 在供暖季室外溫度較高或熱負荷較小時,開啟閥門1、 閥門3,關閉閥門2和閥門4,使用采用地熱井直接供暖系統(tǒng)模式。當建筑熱負荷增大時,關閉閥門1、閥門3,開啟閥門2和閥門4,采用地熱井熱泵換熱供熱系統(tǒng)模式。

5  主要設備確定

5.1 中深層地熱換熱井

單個中深層地熱井下換熱器取熱功率Qi的計算公式如下:

式中:T為地溫梯度;Ks為巖土導熱系數(shù);H為中深層地熱井下換熱器安裝深度。

根據(jù)該區(qū)域已進行的地溫測試,井底巖層溫度達 75.6 ℃,未供熱時出水溫度為46 ℃。計算確定新建2口深度為2 000 m的中深層地熱井,地熱換熱井參數(shù)如表3所示。

5.2 熱泵主機及輔助設備

增加1臺水冷螺桿式地源熱泵主機聯(lián)合運行,中深層地源熱泵機房主要設備材料如表4所示。

6  經(jīng)濟、環(huán)境效益分析

將中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵、天然氣鍋爐系統(tǒng)、市政熱網(wǎng)系統(tǒng)的初投資和運行費用進行對比分析。

在能源方案對比中,中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、天然氣鍋爐供暖系統(tǒng)需要購置設備主機和其他輔助設備,采用市政熱網(wǎng)需要建設換熱站,各供暖方案初投資對比如表5所示。

從表5中可以看出,中深層地熱井費用投資比重很大,中深層地源熱泵系統(tǒng)初投資費用最高,采用市政管網(wǎng)集中供熱投資最低。

在運行過程中,中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)成本主要來自水電費、設備維護、人工費等, 天然氣鍋爐運行成本主要是燃氣費、水費、設備維護、 人工,其中燃氣費占據(jù)絕大比例。各供暖方案運行成本對比(含設備折舊)如表6所示。

各供暖方案投資回收期如表7所示。

從表7可知,市政管網(wǎng)和空氣源熱泵系統(tǒng)投入即回本。但受實際條件限制,以上兩個方案均無法實施。 因此可供選擇的方案為中深層地源熱泵系統(tǒng)和天然氣鍋爐,雖然天然氣鍋爐方案投入即回本,但1.5 a后虧本,因此采用中深層地源熱泵系統(tǒng)作為供熱熱源。

與常規(guī)方案相比,采用該方案每年將減少約3.516×108 MJ,減少顆粒物 135.15 t,減少二氧化硫排放57.6 t,具有較好的環(huán)境效益。

7  結(jié)論

文章以青島膠州市某高層住宅小區(qū)供熱系統(tǒng)設計對象,在當?shù)?a href="http://www.xianzinvrenfang.com/t/能源.html" >能源稟賦和供熱領域能源轉(zhuǎn)型的基礎上, 采用中深層無干擾地熱能進行供熱方案設計,確定地熱換熱井級相關主要設備的數(shù)量及參數(shù),并從經(jīng)濟性和環(huán)保性方面進行分析,得出的主要結(jié)論如下:

(1)基于當?shù)?a href="http://www.xianzinvrenfang.com/t/能源.html" >能源政策和能源稟賦,根據(jù)勘查結(jié)果,當?shù)氐闹猩顚觾α控S富,適宜采用中深層無干擾地熱作為該項目的熱源。

(2)與天然氣鍋爐系統(tǒng)對比,中深層無干擾供熱系統(tǒng)初投資高,但運行1.5 a后,天然氣鍋爐系統(tǒng)出現(xiàn)虧本狀態(tài),中深層無干擾供熱系統(tǒng)11 a后可收回成本, 且有較好的環(huán)境效益,節(jié)能效果明顯。