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(jù)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(fā)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(tǒng)
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(wǎng)系統(tǒng)的腐蝕與供熱系統(tǒng)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(tǒng)內的含氧量將會大大減少腐蝕速度。其二:地熱管網(wǎng)系統(tǒng)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(xiàn)將影響系統(tǒng)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(tǒng)的水力調節(jié)性較差,在系統(tǒng)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(wěn)定。但是,由于直供式是開口系統(tǒng),完全保證系統(tǒng)的密閉性是不可能的。所以,對于開口系統(tǒng)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(yōu)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(jié)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(tǒng)應盡量降低地熱水的排放溫度。顯然,遵循常規(guī)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(jié)? 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(jié)能的角度出發(fā),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(yōu)點而舍去它們的缺點。本節(jié)的分析適合沒有調峰情況下的地熱直接供熱系統(tǒng)的設計,或者有調峰裝置但沒有運行情況下的供熱系統(tǒng)調節(jié)。
對于常規(guī)供熱系統(tǒng)中的主要熱力參數(shù)有如下關系式:
沉積盆地型地熱田勘查開發(fā)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(wǎng)供水溫度(℃);T'b為標準設計工況下的管網(wǎng)排水溫度(℃);Ts為室外氣溫Ta下的管網(wǎng)供水溫度(℃);Tb為室外氣溫Ta下的管網(wǎng)排水溫度(℃);β為與散熱器傳熱性能有關的經(jīng)驗系數(shù)(℃);
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(jié)問題。
假設有一口地熱井出水溫度為85℃,要想滿足常規(guī)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(tǒng),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(fā)與利用
圖8-5 常規(guī)供熱系統(tǒng)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(shù)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(fā)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(guī)鍋爐設計的參數(shù)值即可求出低溫地熱水供熱情況下的設計參數(shù)。
沉積盆地型地熱田勘查開發(fā)與利用
沉積盆地型地熱田勘查開發(fā)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(tǒng)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(shù)。如果采用調峰時的設計參數(shù),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(jié)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(jié)供熱系統(tǒng)的一些熱力參數(shù)使其達到匹配,從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。直接供熱系統(tǒng)的調節(jié)方法主要有兩種分類方法:按地熱水的連續(xù)供給與否分為連續(xù)性運行方式調節(jié)、間歇式運行方式調節(jié),按改變散熱器入水溫度與否分為質調節(jié)和改變流量的量調節(jié)方法。每種調節(jié)方法可以有不同的實現(xiàn)措施。比如:改變流量的方法有直接節(jié)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(jié)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(tǒng)內的壓力不穩(wěn)定性會造成系統(tǒng)內部局部負壓而吸入外界大氣的氧氣,加速管網(wǎng)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(jié)方法有很多弊端。
考慮連續(xù)運行的質調節(jié)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(wǎng)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(huán)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(jié)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?？梢酝ㄟ^能量守恒方程計算得到不同室外溫度下的混水比例R為
沉積盆地型地熱田勘查開發(fā)與利用
同樣以上面的參數(shù)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(guī)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(guī)律
