传热学小论文 自由论文

地热耦合水源热泵供暖系统可行性分析

邹志胜，刘俊杰，朱能

（天津大学环境科学与工程学院，天津300072）

摘要：针对天津市某高层写字楼的冬季热负荷变化情况，对采用地热耦合水源热泵，同时

结合消防水池蓄热的供暖系统进行了分析，研究了此系统的技术可行性，经过传热计算，验证了此

系统可以满足建筑热负荷的要求，分析了其优越性。

关键词：地热；水源热泵；供暖；蓄热

热泵作为一种节能装置，可以节约大量的一次

能源，并可减少环境污染，具有明显的经济、社会效

益［1 ～ 5］。将地热水利用与水源热泵相结合组成地热

耦合热泵系统，可提高地热利用率，并具有节能与环

保效果［6］。本文对某高层写字楼使用地热耦合热

泵+ 消防水池蓄热的供暖系统进行可行性分析。

!" 供暖热负荷分析

天津市某高层写字楼，总建筑面积约7 × 104

m2。写字楼内大部分办公室在夜间不办公，如果冬

季夜间仍然按照原来的供暖室内设计温度供暖，会

造成大量的能源浪费。所以，夜间可以考虑将大部

分房间按值班供暖室内设计温度供暖，这样可以大

大降低夜间能源消耗，节省运行费用。

在计算供暖热负荷时，供暖室外计算参数由不

保证天数法确定，为最不利工况下的静态值，偏于保

守。从供暖热负荷计算方法上来看，供暖热负荷为

供暖室外计算温度的简单线性函数［7］。供暖热负

荷计算公式为：

Φ = a（T i ' - T o '）（1）

式中Φ———供暖热负荷，W

a———建筑物温差负荷系数，即在室内外单位

温差下的供暖热负荷，W/ K

T i '———供暖室内计算温度，K

T o '———供暖室外计算温度，K

对于该高层写字楼供暖系统，供暖室外计算温

度为- 9. 0 ℃。白天设计工况，供暖室内计算温度

为20. 0 ℃，设计供暖热负荷为4 850. 0 kW，建筑物

温差负荷系数为167. 2 W/ K。夜间设计工况，值班

供暖室内设计温度为5. 0 ℃，设计供暖热负荷为

2 341. 4 kW。由此可见，白天设计供暖热负荷是夜

间设计供暖热负荷的2 倍左右。针对该高层写字楼

供暖热负荷情况，拟将供暖系统设计为地热耦合热

泵+ 消防水池蓄热的形式，并进行理论分析，判断该

设计方案的可行性。

!" 供暖系统的组成和运行方式

①供暖系统的组成

根据天津地区地热水资源较丰富的特点，冬季

以84. 0 ℃地热水为热源，选用2 台可自动调温、自

动调节流量、联网监控的水/ 水螺杆水源热泵机组进

行调峰及承担夜间值班供暖热负荷。如果将地热水

经过一次换热后立即回灌，会造成能源浪费。为节

约能源，充分利用现有资源，将建筑物的消防水池作

为蓄热装置，加热后的消防水作为热泵机组热源，通

过热泵机组将低品位热能提高品质对建筑物供暖，

供暖系统见图1。利用消防水池的做法并不违背我

国的现行消防规范及规定，也不会影响消防水池的

正常使用及蓄水量，同时也有大量类似工程实例作

为参考［8 ～ 11］，因此具有充分的可行性。

图#" 供暖系统

Fig. 1 Heat-supply system

②供暖系统的运行方式

白天工况时间为7：00 ～ 19：00，夜间工况时间

为19：00 ～ 7：00。

a. 白天热负荷较小时，阀门C、D、E、H、G、K 关

闭，阀门A、B、I、J、F、L 开启。不使用热泵机组，仅

使用一级板式换热器供暖。从地热井汲取84. 0 ℃

地热水经一级板式换热器换热后，得到54. 4 ℃供热

介质。经一级换热后的地热水，再送入二级板式换

热器与消防水换热，使消防水池中的水升温蓄热，地

热水再进行回灌。

b. 当白天负荷较大，供热介质回水温度低于45

℃时，阀门A、B、C、D、G、H、I、J 开启，阀门E、F、K、L 关闭，开始启用热泵机组，热泵机组的热源为升温后

的消防水。集水器回收的供热介质先流经热泵机

组，升温至45 ℃后，再送入一级板式换热器与地热

水换热。消防水先流经水源热泵机组后，再经二级

板式换热器吸收地热水热量。

c. 夜间工况时，阀门A、B、F、I、J、L 关闭，阀门C、D、E、G、H、K 开启。供暖系统不使用地热水，只使用热泵机组。热泵机组热源为消防热水，供暖系

统供回水温度为45 / 40 ℃。

d. 当系统由夜间工况转为白天工况时，由于供

暖热负荷增加，因此同时启用一级板式换热器及热

泵机组，使室内温度迅速升至设计温度。

e. 当系统由白天工况转为夜间工况时，先关闭

一级板式换热器及水源热泵机组，利用建筑物的蓄

热来承担供暖热负荷。当室内温度降至接近5 ℃

时，开启水源热泵机组，转为夜间工况。

$" 供暖系统性能的校核分析

$. #" 一次地热水供暖系统校核分析

供暖系统采用的板式换热器设计参数见表1。

实际工况下地热水质量流量为10. 5 × 104 kg / h，进

口温度为84. 0 ℃；供热介质质量流量为40. 0 × 104

kg / h，进口温度为45. 0 ℃。采用ε - NTU 法校核地热水出口温度、一级板式换热器所能负担的最大热

负荷及供热介质出口温度［8］。

表#" 板式换热器设计参数

Tab. 1 Design parameters of plate heat exchanger

地热水供热介质

进口温度

/ ℃

出口温度

/ ℃

质量流量

（/ kg·h-1）

进口温度

/ ℃

出口温度

/ ℃

质量流量

（/ kg·h-1）

80 52 17.2 ×104 50 60 45.8 ×104

①传热系数K

根据传热学理论，板式换热器的传热系数不是