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地热能在某酒店工程中的开发利用
聊城市规划建筑设计院 田彦法
摘要 针对某五星级酒店的冷热源及卫生热水、 地热水直供的综合需要, 根据当地的深层地质信息资料, 分析了两个地热能综合开发利用的设计方案。利用水源热泵进行地热能的梯级利用可充分提取地热水中的能量。在设计浅层水水源热泵系统中, 一定要结合其地质岩性、 水文特征等进行回灌分析。系统运行中, 优先使用地热能, 但为保证五星级酒店的正常经营, 也要考虑地热井故障检修时, 应有常规设备作为备用。地热能作为一种清洁能源, 一定要对其进行科学的开发利用。
关键词 地热能 水源热泵 方案分析 浅井水回灌

1 引言
资源、 环境是人类当前面临的重大难题。随着中国国民经济的迅速发展, 中国的建筑能耗, 特别是暖通空调能耗所占的比重越来越大, 地热资源作为一种可再生绿色清洁能源, 在城市发展中正发挥着越来越重要的作用。
据现代地热生成理论和多次实践证实, 山东省聊城市具备地热形成的地质条件, 地热资源比较丰富, 具有良好的开发前景。该地区属鲁北地热区。本区属暖温带半湿润气候, 年平均气温11.6℃, 极端最高气温41.4℃, 最低气温-22.1℃; 年平均降水量590.4毫米, 无霜期年均206天。
依据各信息资料统计分析, 区内地热资源的形成、 赋存和分布严格受断裂构造和地层岩性的控制, 工程所在区域位于鲁西北Ⅲ级成矿远景区内的西北端、 聊城市凹陷内, 石油、 天然气、 地热成矿远景区内, 聊城市--夏津地热Ⅴ级成矿远景区的西南侧。本区位于聊考断裂带的东侧, 区内地层由上到下为第四系、 新近系明化镇组、 馆陶组地层和古近系地层, 奥陶热储地层。区内隐伏着新近系( 上第三系) 黄华群明化镇组, 馆陶组、 古近系地层等热储地层, 具有渗透性较好的热储水砂砾层, 同时又具有较好的粘土质盖层, 它既防止了浅层地下水向下渗透, 又阻隔因地下水的垂向对流而造成的热量损耗, 从而使地下热能在其之下聚集。盖层厚度在1200～1500m左右, 说明区内已具有良好的导热通道、 热储空间和完整的热储盖层。
2 工程介绍
2.1 聊城阿尔卡迪亚国际大酒店位于江北水城环城湖畔, 按五星级酒店标准建设, 为园林式多层建筑组群, 包括接待中心、 餐饮楼、 客房部、 会议中心、 康体中心、 职工宿舍楼及两个贵宾楼, 共八个子项, 总建筑面积6 ㎡, 集餐饮、 接待、 会议、 住宿、 休闲娱乐为一体。为当前当地规模最大、 规格最高的接待场所。
2.2 工程负荷需求:
夏季空调尖峰冷负荷为5900KW, 供回水温7℃/12℃ ;
冬季空调尖峰热负荷为5000KW, 供回水温40℃/45℃;
洗浴卫生热水最高日用水量180 M3/d,供水温度50--55℃;
地热温泉直用水: ( 1) . 康体中心游泳馆补水量60 M3/d( 游泳池体积约600 M3, 池体水温27℃) ;( 2) . 康体洗浴中心补水量60 M3/d。
2.3 经对工程拟建场区大极距直流电测探后分析认为, 在圈定的地热异常发育区开采地热井预计单井出水量不小于70 M3/h, 预计水温不低于53℃。
3 方案设计
3.1 方案一: 利用地热能和湖边浅层井作为系统热源和散热源, 经过水源热泵满足系统制冷供暖及卫生热水的需要。具体介绍如下:
3.1.1 地热水先经过一次板式换热器加热洗浴卫生热水; 冬季地热尾水再进入二级板式换热器加热水源热泵蒸发器侧循环水, 利用两台水源热泵的冷凝器将水温提高至45℃, 满足部分酒店热负荷需要; 另配有三台浅层井水水源热泵, 补充热负荷不足部分; 同时, 其中一台浅层井水水源热泵还可作为洗浴卫生热水的备用热源; 地热尾水水源热泵也可利用浅层井水作为热源, 作为地热井检修时的备用, 以保证酒店的正常经营。经过以上地热水的梯级利用, 可将地热弃水降温至15℃排放, 充分提取地热水中蕴藏的热能。
3.1.2 夏季五台水源热泵均制冷, 利用浅层井水散热, 满足酒店全部冷负荷需要; 其中一台浅层井水水源热泵依然兼作制备洗浴卫生热水的备用热源, 在温泉地热井故障检修时保证酒店正常供应卫生热水。
根据聊城地区地下水文资料, 100米深度出水温度约为15.2℃, 因此, 夏季最高日最大时浅层水需水量为480 M3/h, ( 冬季需水量较小) 。
3.1.3 地热原水、 尾水及弃水可根据地热温泉直用的温度需要按比例调节后, 经曝气除铁后储存在地热水水箱内, 利用输水泵供应给游泳池及洗浴中心。水箱总容积为50M3X2。
3.1.4 由于洗浴卫生热水的最大小时用水量较大, 因此设置洗浴热水蓄水箱, 总容积为50M3X2, 采用开式变频供水方式供水, 在热水箱和一次板换之间设置中间循环泵, 该泵的启停由设在水箱供水口处的温度变送器的信号控制, 供水温度高于50℃时, 中间循环泵停止工作, 供水温度低于45℃时, 中间循环泵开始工作。
3.1.5地热系统综合利用工艺流程见附图1:
3.1.6方案分析
3.1.6.1方案一的优点是系统投资不高, 机房控制也不太复杂, 却可满足酒店的多功能需求, 地热能的梯级利用能够大幅降低运行费用, 充分提取地热能量; 浅层井水即可作为制冷时的散热源, 又可作为供暖时热源的补充和备用。这样就即降低了运行成本, 又可满足酒店的可靠运行, 其优势是显而易见的。
3.1.6.2 《地源热泵系统工程技术规范 GB50366- 》中规定, 地下水水源热泵系统应同层回灌, 因此, 笔者会同甲方及相关单位就浅层水回灌做了一系列的调查工作:
(1). 该区地层特征: 本区80m以内深度属于第四纪黄河冲积物, 按地层时代分为黑土湖组和平原组。黑土湖组( QH) 为湖沼相沉积, 厚度较稳定, 埋深约14m, 岩性主要为灰黑色淤泥质粉土、 粉质粘土, 与下伏平原组呈整合接触。平原组( ＱP) 不整合于明化镇组之上, 岩性为一套棕黄色粉砂、 粘土夹中细砂层, 局部夹淤泥层, 属河漫滩相、 河床相的综合体, 底部以砂砾层为标志层。
(2). 含水层水文地质特征: 本区含水层累计厚度40m左右, 最大单层厚度20m之多。主要含水层岩性为灰白色中细砂, 垂向上呈上细下粗的正旋回沉积。含水层孔隙在25%左右, 具有良好的储水空间。矿化度1890 mg/l, 水化学类型为HCO3·Cl—NaMa型, 井口水温16℃。静止水位埋深6m左右 。
(3). 试验钻孔综合柱状图见下页:

3.1.7 根据以上地质及水文特征分析, 该地区蓄水量丰富。但由于其岩性颗粒较小, 渗水性能差, 且静止水位太浅, 回灌水压小, 经回灌试验测定, 其单井回灌量仅为10 M3/h。对五星级酒店而言, 如此差的回灌条件是不能保证系统的可靠运行的。因此, 经多次研究, 甲方虽对该方案非常感兴趣, 但最终还是忍痛放弃了该方案。
3.2 方案二: 利用地热能和常规能源, 经过水源热泵、 燃气锅炉和水冷机组为酒店提供空调冷热源和卫生热水。具体介绍如下:
3.2.1地热水先经过一次板式换热器加热洗浴卫生热水, 同时, 板换后串联管壳式汽-水换热器, 可将卫生热水供水温度提至55℃, 保证洗涤场所最低供水温度不低于50℃, 热水蓄水、 加热控制及供应系统同第一方案, 不再赘述。
3.2.2冬季地热尾水再进入二级板式换热器加热水源热泵蒸发器侧循环水, 利用一台水源热泵的冷凝器将水温提高至45℃, 满足部分酒店热负荷需要; 另外, 系统并联两台管壳式汽-水换热器, 补充热负荷不足部分( 其中一台为水源热泵的备用) ; 经过以上地热水的梯级利用, 可将地热弃水降温至15℃排放, 达到充分利用地热能的目的。
3.2.3夏季, 水源热泵冷凝器接入冷却塔冷却水系统, 蒸发器接入用户空调循环系统, 与两台离心式冷水机组联合供冷。
3.2.3 为满足洗衣机房和厨房设备对蒸汽供应的要求, 设计了三台燃气蒸汽锅炉, 既可全年提供蒸汽供应, 又可补充冬季地热供暖不足部分的热负荷, 还可作为地热井故障检修时的备用热源。非常可靠的保证酒店的正常经营。
3.2.4 地热水直供系统详第一方案, 不再赘述。
3.2.5地热系统综合利用工艺流程见附图2:

3．2.6方案分析
显而易见, 该方案较第一方案更为复杂, 初投资也高, 且运行费用也比第一方案要高。但常规能源较有保证, 不受浅层水回灌因素的制约, 从酒店经营的角度, 该方案更为安全可靠, 因此, 最终实施第二方案
4 结语
4.1在利用地热能的供暖系统中, 因空调设计回水温度不低于40℃, 则地热水经过一次板换后的地热尾水排放温度势必大于40℃, 则既对排放环境造成很大的热污染, 更是对地热资源的极大浪费, 同时也增加了用户的运行成本。而利用水源热泵则可将地热弃水排放温度降至15℃以下, 将地热水中蕴藏的热量充分提取出来, 使地热能的利用更充分。就本工程第二方案来说, 利用水源热泵与利用燃气锅炉供暖相比就可节省每小时不小于350元的运行费用, 其经济效益非常明显。
4.2正如大家所公认的, 浅层井水水源热泵制冷供暖空调系统是一项利国利民的节能形式, 但在实际工程应用中, 浅井水同层回灌是一个不容回避的大问题, 特别在大型项目的设计应用时, 需要对项目所在地的地质岩性、 水文特征做一个详细的调查分析, 否则, 如盲目实施, 就有可能与设想结果相背离。
4.3地热是一种比较理想的清洁能源。随着石油、 煤炭等传统能源逐渐枯竭, 地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。加强地热资源的勘查、 开发, 对于促进国民经济的可持续发展和改进、 提高人民生活水平都具有重要意义。诚然, 如何更加科学地开发利用地热能则更是各从业人员必须认真思考的重要课题。

参考文献:
1.陆耀庆 实用供热空调设计手册[M],北京, 中国建筑工业出版社。
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3.山东省公共建筑节能设计标准 DBJ 14-036- ,山东省建设厅, 济南, 。
4. 地源热泵系统工程技术规范 50366- , 中国建筑工业出版社, 北京, 。
5. 田彦法 .地热能在某小区中的应用分析, 工程质量 精品, ,5。
6.何满潮、 李启民.地热资源梯级开发可持续应用研究.矿业研究与开发. .25(3)。
7.曹琦.地热水能量梯级利用系统性能分析[J].制冷空调与电力机械, ,28(6)。