吸收式热泵在地热水梯级利用的应用

吸收式热泵在地热水梯级利用的应用
作者：李晓旻
来源：《中国房地产业》 2016年第12期
文/ 李晓旻湖南六建机电安装有限责任公司湖南长沙 410015
【摘要】本文分析了吸收式热泵在地热水梯级利用方面的应用方式，比较了吸收式热泵与
电力压缩式热泵的特点，相对电力压缩式热泵，用吸收式热泵来做为地热梯级利用的热泵设备，具有单机容量大、运行工况广、负荷调节性能好、一次能源利用效率高、运行成本低、使用寿
命长、维护简单方便等优势。

【关键词】地热资源；吸收式热泵；地热水；梯级利用
一、地热资源
作为绿色的清洁能源和可再生能源，地热能已纳入“十二五”能源规划。

国家计划在十二
五期间，将完成地源热泵供暖( 制冷) 面积3.5 亿平方米。

由于城市建设的快速扩张，原有市政供热系统已远远不能满足需要，因此，在远离市政热
源的城市周边地区，深层地热广泛应用于住宅和公建采暖。

1800m 以上的深层地热水温度一般
在50 ℃ ～90 ℃ 之间，65℃以上可以直接用于散热器采暖，50℃～65℃可以用于空调末端
采暖，40℃～50℃可以用于地板采暖，经过上述利用后，地热尾水温度一般在40℃以上。

由于地热水资源有限，回灌困难、打井成本高风险大，国家对地热资源的开采利用有严格
的管制。

因此，有必要对地热尾水进行梯级利用，使地热水回灌温度达到10℃以下，达到减少
打井数量、充分利用地热资源的目的。

二、地热水梯级利用流程图
1. 低温地热的梯级利用
图1 所示为低温地热梯级利用在酒店供热中的应用流程图。

一级直接利用板换将60℃的地热水换成55℃的生活热水，二级、三级分别利用燃气或蒸汽吸收式热泵将50℃和26℃的低温
地热尾水的热量提取后，提供60℃的空调热水。

从图中可以看出，因地热尾水温度即吸收式热
泵的低温热源水温度不同，两级吸收式热泵的能效比略有差异，第一级热泵COP为1.75，第二
级热泵COP 为1.6，两者相差不大，只有8.6%。

同时，吸收式热泵的热力系数在冷凝温度（热
水出水温度）和蒸发温度（低温热源进水温度）之差增大时，它的变化幅度比压缩式热泵的热
力系数小。

所以，在环境温度下降或用户需热温度提高时，吸收式热泵的供热量变化不如压缩
式热泵那样敏感。

2. 中温地热水的梯级利用
图2 所示为中温地热梯级利用在区域住宅供暖中的应用流程图。

一级、二级直接利用板换将地热水换成75℃散热器采暖热水和50℃地板采暖热水，三级、四级则通过燃气或蒸汽吸收式热泵机组提取地热尾水热量，提供75℃散热器采暖热水，使地热水最终回灌温度达到10℃，地热资源得到充分利用。

三、吸收式热泵选型
1. 根据驱动热源不同（蒸汽、热水、烟气、天然气），可以分别选用蒸汽型吸收式热泵、热水型吸收式热泵、烟气型吸收式热泵、直燃型吸收式热泵。

2. 根据采暖热水温度不同选用单效吸收式热泵或双效吸收式热泵。

当采暖热水温度为45℃～95℃时，选单效吸收式热泵，采暖热水温度≤ 45℃时，选双效吸收式热泵。

3. 吸收式热泵机型的大小应根据热负荷大小、低温热源以及热水进出机组的温度来计算确定。

一般一座热力站吸收式热泵机组不宜少于二台。

四、吸收式热泵的特点
相对传统锅炉或电力压缩式热泵机组，吸收式热泵机组具有以下特点。

1. 一次能源利用效率高：单效吸收式热泵热力系数COP=1.6 ～ 1.8，双效吸收式热泵热力系数COP=
2.2 ～ 2.5。

即消耗一份中高品位的热能，至少可以产生1.6 ～ 1.8 份的有用的中温热能，比烧锅炉或直接用高温热源加热采暖热水，一次能源利用效率提高60%以上。

在相同制热量的条件下，较电力压缩式热泵节能30% 左右。

图3 为不同类型机组一次能源利用效率比较图。

2. 热水出水温度高：吸收式热泵机组最高出水温度可达95℃，能满足远距离大型区域供
热需求，而电力压缩式热泵的出水温度一般在50℃左右，供一座楼的采暖或空调还勉强能满足
需求，对几十万上百万平米的区域建筑供热，这个温度就明显偏低了。

并且吸收式热泵热水出
水温度高低对机组的运行工况影响不大。

而电力压缩式热泵机组冬季机组处于供热状态时，在
热水出水温度在40℃～50℃时运行较好，超出这个范围，压缩机排气温度也随之升高，排气
温度过高使压缩机油品质劣化，导致压缩机寿命降低，机组运行工况明显恶化，能效比迅速降低，因此，电力热泵的应用范围有限，仅适合于地板采暖等低温供暖区域。

目前也有中高温压
缩式热泵机组出现，但运行的经济性随着热水出水温度的提高大幅下降。

3. 单机容量大：目前国内先进厂家利用模块化生产技术，克服了大型机组体积大运输困难，真空部件需在用户现场焊接组装而使产品质量得不到保证的难题，能生产单机最大制热量达
56MW 的大型吸收式热泵机组，单台机组最大供热面积达100 万平米以上，可以满足大型区域
供热需求，而电力热泵单机目前最大只能做到5MW 左右。

4. 变工况变负荷运行性能好：吸收式热泵是一个真空换热设备，具有良好的负荷跟踪能力和出色的低负荷节能特性，使能源消耗随负荷的变化而变化，使运行费用大大降低。

吸收式热
泵的低温热源温度范围在15℃～50℃之间，中温出水温度在45℃～95℃之间，负荷调节范围5% ～ 100%，其应用范围要比电力压缩式热泵大得多。

并且，吸收式热泵机组在变工况运行时，对能效影响不大。

5. 使用清洁能源和环保冷媒：吸收式热泵可以使用废蒸汽、废热水以及清洁能源——天然气作为驱动能源，驱动能源选择范围广泛，可以节省电力投资。

同时吸收式热泵使用无毒无害
的溴化锂溶液作为冷媒工质，对臭氧层无破坏，排放无污染，对环境友好。

6. 维护管理方便：吸收式热泵是一个换热设备，运转部件很少，维护管理简单，使用寿命长达30 年以上。

五、初投资及运行费用分析
1. 初投资
吸收式热泵机组设备投资普遍高于电力压缩式热泵机组，其中蒸汽型吸收式热泵机组价格
是电力压缩式的1.5 倍左右，直燃型吸收式热泵机组价格则是电力压缩式热泵的2 倍左右。

2. 运行成本分析
以电力价格1 元/kwh，天然气气价3.0 元/m3，热值10kwh/m3，电力压缩式热泵
COP=3.5 ～ 4.5，吸收式热泵COP=1.7~2.3，为计算依据。

则：
吸收式热泵供热能源成本：3.0÷（17 ～ 23）=0.18 ～ 0.13 元/kwh；电力压缩式热泵供热能源成本：1.0÷（3.5 ～ 4.5）=0.29 ～ 0.22元/kwh。

吸收式热泵运行成本比电力压缩式
热泵低35% 以上。

3. 投资回收周期
以供热能力为16MW 的热力站为例，电力压缩式热泵的投资约为720万元，每个供热季的
能源成本约为820 万元；燃气吸收式热泵的投资约为1550 万元，每个供热季的能源成本约为530 万元。

燃气吸收式热泵比电力压缩式热泵多出的投资静态回收期约2.9 年。

结语：
地热水是宝贵的自然资源，必须最大限度加以利用。

提高地热资源利用率、保护地下水资
源的最好方式是对地热能进行梯级利用。

过去地热水的梯级利用过程中，大量采用的是电力压缩式热泵技术，并且也取得了一定的
成效。

在吸收式制冷技术已十分成熟的今天，利用与吸收式制冷相同原理生产的吸收式热泵来
做为地热梯级利用的热泵设备，具有单机容量大、运行工况广、负荷调节性能好、运行成本低、使用寿命长、维护简单方便等优势，将越来越广泛应用于地热梯级利用工程中。

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