地熱直接式供熱
時間:2022-01-15
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1.地熱直供式供熱的一些特點
地熱直接供熱方式是指地熱水直接通過熱用戶,然后排放掉或回灌。這種供熱方式設計結構簡單,如圖8 4所示。在地熱水進入熱用戶之前根據水質條件可以增設除砂器,為調解進入熱用戶的溫度增設供熱調峰裝置和混水器等。如果采用鍋爐調峰裝置,地熱水相當于鍋爐供水。如果采用熱泵調峰,一般以通過熱用戶后排放之前的地熱水作為熱源為熱泵的蒸發器提供熱量。使地熱水的排放溫度進一步降低。
圖8-4 地熱直接式供熱系統
一般采用地熱直接供熱方式有些限制條件。其一:地熱水的腐蝕性較低,即含有較低的誘導化學腐蝕的一些成分,如氯離子、硫酸根離子等。地熱水的化學腐蝕性是相對而言的,即指散熱器和管網系統的腐蝕與供熱系統的運行管理狀況有很大關系,即使含有化學腐蝕性成分,如果嚴格的控制系統內的含氧量將會大大減少腐蝕速度。其二:地熱管網系統的結垢控制,盡管低溫地熱水不像高溫兩相地熱流體的結垢趨勢那么強,但是如果有結垢出現將影響系統的散熱性能,降低地熱水的有效熱利用率,因此在選用地熱直接供熱方式之前,應對地熱水的腐蝕和結垢趨勢進行充分的論證。其三:由于直接式地熱供熱系統的水力調節性較差,在系統的壓力平衡上應加以考慮,一般不宜用于高層建筑的供熱,因為此時地熱水泵的承載揚程過高,水頭也難以穩定。但是,由于直供式是開口系統,完全保證系統的密閉性是不可能的。所以,對于開口系統腐蝕的可能性還是不能忽視的。
除了以上主要限制條件或一些缺點外,直接式地熱供熱也有其優點,比如與間接式地熱供熱方式比較溫差損失小供熱效率高、初投資少。
2.地熱直供式設計與調節方法
由于地熱水具有出水溫度基本恒定的特點,為了能充分利用地熱水的熱能,供熱系統應盡量降低地熱水的排放溫度。顯然,遵循常規的鍋爐設計將不利于地熱水的有效利用。除非采用調峰裝置,要想增加供、回水之間的溫度差,唯一的途徑是加大熱用戶的終端散熱器的散熱面積。那么,針對不同的地熱井出水溫度要想達到設計要求,如何確定散熱器的面積增加比例? 在這種設計下如何采用質調節? 還應從供暖的熱力學特征分析入手。以下給出了在沒有調峰裝置條件下的直接供熱設計方法。當然,從熱力學節能的角度出發,合理的供熱設計應當增加調峰措施(調峰承擔尖峰負荷),在大部分供熱時間內采用地熱直接供熱(地熱承擔的基礎負荷),而僅在很短的時間里采用地熱供熱加調峰裝置,這樣能充分利用各自的能源條件的優點而舍去它們的缺點。本節的分析適合沒有調峰情況下的地熱直接供熱系統的設計,或者有調峰裝置但沒有運行情況下的供熱系統調節。
對于常規供熱系統中的主要熱力參數有如下關系式:
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
式中:Tr為室內設計溫度(℃);Ta為室外氣溫(℃);T'a為標準設計工況下的室外設計氣溫(℃);T's為標準設計工況下的管網供水溫度(℃);T'b為標準設計工況下的管網排水溫度(℃);Ts為室外氣溫Ta下的管網供水溫度(℃);Tb為室外氣溫Ta下的管網排水溫度(℃);β為與散熱器傳熱性能有關的經驗系數(℃);
為實際供水流量與標準設計供水流量比;
為實際供熱負荷與標準設計供熱負荷的比。
上式中包括3個等式和4個未知量,即供水溫度Ts、排水溫度Tb、熱負荷比
和質量流量比
。為了求出其中的3個變量,必須對其中一個變量進行假設。如假設
,即所謂的質調節問題。
假設有一口地熱井出水溫度為85℃,要想滿足常規鍋爐設計的標準熱負荷,比如95℃給水溫度,70℃回水溫度,如通過式8 8計算得到地熱水的回水溫度應為80℃。利用溫度差只有5℃,質量流量比
為5,這顯然是不合理的。造成這一問題的原因是終端散熱器的設計面積小,因此,對地熱直接供熱系統,應對供熱設計方程式8 8加以修正。
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
圖8-5 常規供熱系統中的供回水溫度隨室外溫度的變化
在式8 9中,考慮到利用地熱水的溫差增大后,采用算術平均溫差會對計算結果帶來較大誤差,所以第三部分采用了對數平均溫差。
是終端散熱器的增加比。假設此時地熱水供水溫度為地熱井的出口水溫
,排放地熱水溫度為
,在滿足相同的標準設計熱負荷下,散熱器的面積增加比
為
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同時可以獲得質量流量比
:
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
由于地熱水溫基本固定不變,在確定排放水溫
的條件下,通過式8-10和式8-11確定散熱器的面積比和質量流量比。例如:設地熱水溫度為
,要想獲得排放溫度
,即40℃的換熱溫差,室內有效設計溫度Tr=18℃,β=0.35(鑄鐵四柱式散熱器),得到面積比
為1.657,質量流量比
為0.625。
通過以上的相同計算步驟,可以計算得到不同地熱井出水溫度,不同設計排放溫度情況下的散熱器面積比
和質量流量比
,如圖8-6所示。如果知道常規鍋爐設計的參數值即可求出低溫地熱水供熱情況下的設計參數。
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
對一個特定的建筑物,當選擇了散熱器形式和面積大小后,直接式供熱系統的供熱能力Qd和散熱器的進出口水溫度ΔT=Ts-Tb可以通過求解下面的超越方程計算得到。
值得指出的是,通過式8-10、式8-11均可得到設計參數。如果采用調峰時的設計參數,可能會造成散熱器面積比
較大,初投資增加很多。合理的設計應當考慮增設其他供熱形式的調峰措施,使地熱水的設計熱指標降低下來。
供熱負荷的調節問題是在完成供熱設計之后進行的,是當室外氣溫偏離設計室外氣溫時如何調節供熱系統的一些熱力參數使其達到匹配,從而實現節能的目的。直接供熱系統的調節方法主要有兩種分類方法:按地熱水的連續供給與否分為連續性運行方式調節、間歇式運行方式調節,按改變散熱器入水溫度與否分為質調節和改變流量的量調節方法。每種調節方法可以有不同的實現措施。比如:改變流量的方法有直接節流法、井口回流法、井泵變頻調速法等。
如果不通過改變質量流量的方法進行調節可以采用間歇式運行方法,但間歇式運行是頻繁地開啟井泵,會對井泵的使用壽命造成損害,同時系統內的壓力不穩定性會造成系統內部局部負壓而吸入外界大氣的氧氣,加速管網的腐蝕。除了需要考慮以上的缺點外,還必須考慮間歇的頻率和時間,這與建筑物的蓄熱能力有直接的關系。因此,間歇式調節方法有很多弊端。
考慮連續運行的質調節方法之一就是增加混水器,使一部分地熱排放水回到給水管,減少地熱水流量,降低管網的入口水溫。通過合理地控制混水比例,可以有效地匹配外界環境的溫度變化,適應不同熱負荷工況下的需要。以下介紹一種計算適當混水比例的簡便方法。
為了求解不同室外溫度下的混水比例,首先確定質調節的供回水溫度。由式8-9的第一、三、四部分可得:
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其中,
, C2=T 's-T 'b,假設混水比例為R ,即R為回水質量與總供水質量流量的百分比。可以通過能量守恒方程計算得到不同室外溫度下的混水比例R為
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同樣以上面的參數為例,面積比
為1.657,質量流量比
為0.625,R隨室外溫度的變化規律如圖8-7所示。有關混水器的設計可參考一些供熱工程手冊。
圖8-7 R隨室外溫度的變化規律
