趙建康 張勇 鄒登亮 黃長軍 何運成 楊俊偉 石涵靜 李衛芳
（北京市地熱研究院）
摘要：文章介紹了北京順義金漢綠港家園小區地熱井結合水源熱泵供暖，以及提供溫泉洗浴的地熱資源綜合利用技術。結合該工程，作者給出了地熱井水量、水溫與供暖面積之間的關系式，此關系式對於地熱供暖工程的前期論證具有指導意義。本文著重對地熱井結合水源熱泵供暖技術的運行成本進行了詳細的分析。研究表明，地熱井結合熱泵技術供暖的運行成本為18元/m2，低於北京市集中供熱的采暖收費標準24元/m2，同時，溫泉洗浴比加熱自來水洗浴成本低得多。
1 前言
以往，對於中低溫地熱資源，尤其是50℃左右地熱水，通常只是提供溫泉洗浴和種植養殖，很少用於供暖。這主要是因為老式的暖氣片采暖的供回水溫度要求較高，壹般為95℃/70℃，50℃的地熱水通過暖氣片供暖很難達到室溫要求。目前，隨著地板采暖技術、風機盤管技術以及輻射吊頂技術的發展，采暖所需的熱源溫度大大降低，壹般40～45℃即可滿足供暖的需要。由此，給地熱直接供暖和地源熱泵技術供暖提供了廣闊的市場空間。
北京順義金漢綠港家園小區，是我院承擔的壹項利用中低溫地熱資源供暖和提供溫泉洗浴的地熱綜合利用工程。該工程室內末端采用地板輻射采暖，利用熱泵技術，用3口地熱井基本解決了23萬m2的住宅小區供暖和溫泉洗浴的需求，使低溫地熱資源得到了有效地用。使用清潔的地熱能源供暖、溫泉入戶，大大提升了住宅的品質，不但給小區居民提供了良好的生活環境和大氣質量，同時也給了開發商豐厚的回報。
2 工程概況
金漢綠港家園是集住宅、酒店、餐飲、娛樂於壹體的大型綜合性住宅小區。建築總面積為63萬m2。壹期建築為23萬m2，公建面積3萬m2。金漢·綠港家園總的供暖負荷及公建部分冷負荷如下：供熱負荷：冬季單位面積熱指標為41W/m2，總計9430kW；公建部分：夏季單位制冷指標為80W/m2，總計2400kW。
根據以上冷熱技術指標及該地地質條件，我院提出，冬季利用地熱溫泉井結合水源熱泵技術供暖和提供溫泉洗浴，供暖室內末端采用地板輻射采暖；夏季利用水源熱泵機組和冷水井給公建部分供冷，末端采用風機盤管。該工程是深部地熱能和淺部地熱能綜合利用的項目。
3 供暖制冷所需水量的確定
3.1 供暖制冷面積與水量關系式的推導
根據能量守恒定律可以推導出供暖面積與所需地熱溫泉井的水量的關系式，由此，可以根據供暖面積確定所需的地下水量；同樣，也可以根據地熱井的出水量和水溫確定能夠供暖的面積。
a.直接供暖
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：S為供暖面積，m2；q為單位面積熱負荷，W/m2；J為熱功當量系數，4187焦耳/大卡；ρ為水的密度，1 T/m3；c為水的比熱容，1×103kcal/T·℃；Q為地熱井出水量，m3/h；t1為地熱井的出水溫度，℃；t2為供暖後尾水水溫度，℃。
b.結合熱泵技術供暖
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：cop為熱泵機組的供熱系數，壹般為4；t3為通過熱泵提取熱量後尾水的溫度，℃。
由（1）、（2）關系式可以看出，地熱井供暖的面積和地熱水水量成正比。水量壹定的情況下，與利用的溫差成正比，即利用溫差越大，供暖面積越大。
地熱井結合熱泵技術供暖，可以加大地熱水的利用溫差，相應減少了地熱水的需求量，從而達到地熱資源的集約利用的目的。如關系式（1）、（2）中的t2壹般為40℃左右，而t3在10℃左右，提高利用溫差30℃。對於壹口出水溫度70℃的地熱井，通過熱泵技術，可使1口地熱井發揮兩口地熱井的效能，不但節約了投資，同時也節約了寶貴的地熱資源。
3.2 所需地熱井水量的確定
已知該小區的供暖總負荷為9430kW；熱泵機組提取熱量後的尾水溫度可降低到7℃；根據可靠的地質資料分析推測地熱井的水量、水溫預測分別為水溫55℃，水量60m3/h，井深3000m，熱儲目的層為薊縣系霧迷山組。
根據以上已知數據，可得出所需地熱井水量為：126m3/h。
3.3 所需冷水井水量的確定
同樣，根據能量守恒定律，可得出公建部分供冷時的水量與供冷面積關系式：
淺層地熱能：全國地熱（淺層地熱能）開發利用現場經驗交流會論文集
式中：EER為熱泵機組的能效比，所得制冷量與輸入電能之比，壹般取5；t1為冷水井的出水水溫，℃；t3為回灌時的水溫，℃。
已知供冷總負荷2400kW；冷水井的出水溫度為15℃，水量，井深；回灌溫度27℃。根據以上已知數據代入關系式（3），可得3萬m2公建部分所需水量為：206m3/h。
4 工程技術方案設計
該工程供暖需要溫度55℃地熱水流量為126m3/h，根據已知的水文地質資料可知，兩口地熱井即能滿足水量的需要。該地區地熱井回灌情況良好，1 口回灌井即能滿足需要。因此，該供暖工程設計利用3口“地熱井-熱泵機組”（兩抽壹灌）滿足壹期建築23萬m2建築面積的供暖要求和小區居民的溫泉洗浴。
公建部分的供冷需冷水井水量為206m3/h，而地區井深100m，水量可達80m3/h，因此3口抽水井即能滿足需要。該地區回灌情況壹般，抽灌比例為1∶2，因此，冷水井的總數量為9口。利用冷水井-熱泵機組滿足公建部分夏季供冷的需要。室內末端采用地板采暖技術，公建部分末端采用風機盤管。
為滿足水源熱泵機組蒸發器側進出水溫度的要求，同時因地熱井水不能夠直接進入機組使用，因此將地熱井水通過板式換熱器進行換熱使用，板式換熱器壹次側進水流量為120噸/小時，溫度為55℃，出水溫度為9℃，二次側（水源熱泵機組側）水流量約為750噸/小時，進水溫度為7℃，出水溫度為15℃。二次側水量能夠滿足機組全部運行時的總水量的要求。
5 運行費用分析
5.1 機房內主要設備及配電量（表1）
表1 機房內主要設備及配電量
其他設備總計暫估為150kW。總配電量暫估為2880.2kW。冬季的最大用電量為2880.2kW，夏季最大用電量為300kW。
5.2 運行費用成本分析
供暖運行成本主要包含以下幾項內容：用電成本、人員工資及福利、設備折舊費、年維修費各種稅費等。
運行6臺熱泵機組可以滿足最大荷載，6臺機組冬季可以提供的最大熱量為9504kW，冬季機組滿載運行時，機組本身和其相關輔助配套設備總用電功率為2880.2kW。
根據以上功率（2880.2kW）負荷計算冬季運行費用，設每天的平均滿載運行時間為12小時。水源熱泵中央空調冷熱源方案設備的年運行電費為：240.56萬元（冬季）。
由於本工程采用自動控制技術因此運行時需要6 人維護即可（三班倒），人員工資為：
6人×4月×1600元/（人月）＝3.84萬元
所有設備的使用年限為15年，水井為15年，則每年的折舊費用為：設備，77萬元/年；水井，83萬元/年；總計160萬元。每年維修費為10萬元。總計414.40萬元。折合每平米的年運行費用為18 元/m2。目前北京市集中供暖的價格為24 元/m2，天然氣采暖的為30元/m2，因此，利用地熱井結合水源熱泵技術進行城市供暖不但技術上是可行的，而且具有價格優勢。
該小區地熱井不但作為供暖的熱源，還可提供小區的溫泉洗浴。使用電熱水器加熱壹噸自來水需23元，燃氣熱水器需14元，而家用地熱溫泉水洗浴只需每噸交納3.5元的礦產資源稅。遇到極端寒冷天氣，供暖和洗浴用水發生沖突時，可以啟動冷水井進行調峰。
6 結論和啟示
利用地熱井結合水源熱泵技術進行城市供暖和提供溫泉洗浴，技術上是完全可行的，運行成本相對於燃氣也占優勢。更重要的是地熱資源是壹種近乎可再生的清潔能源，無任何廢氣、廢料的排放，非常有利於改善城市的大氣質量。
地熱井結合熱泵技術供暖相對於普通的水源熱泵供暖，還具有以下幾個優點：
（1）在供暖的同時，可以兼顧提供溫泉洗浴；
（2）由於水溫較高，相應降低了對水量的要求，進而減少了水井的數量，減少了占地；
（3）地熱井深度壹般在3000m左右，開采的熱水壹般為基巖裂隙水，對地面沈降幾乎無任何影響；冷水井壹般80m左右，大部分抽取的是第四紀含水層中的承壓水，相對影響稍大。
缺點主要是地熱井的造價較高，鉆井的風險也較大。
地熱井結合水源熱泵供暖技術，為低溫地熱用於供暖提供了壹條新思路。我國大部分城市都具有這種低溫地熱資源，如能廣泛利用，對於解決城市大氣汙染、節能、節約占地等都有非常積極的意義。
參考文獻
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