赵建康 张勇 邹登亮 黄长军 何运成 杨俊伟 石涵静 李卫芳
（北京市地热研究院）
摘要：文章介绍了北京顺义金汉绿港家园小区地热井结合水源热泵供暖，以及提供温泉洗浴的地热资源综合利用技术。结合该工程，作者给出了地热井水量、水温与供暖面积之间的关系式，此关系式对于地热供暖工程的前期论证具有指导意义。本文着重对地热井结合水源热泵供暖技术的运行成本进行了详细的分析。研究表明，地热井结合热泵技术供暖的运行成本为18元/m2，低于北京市集中供热的采暖收费标准24元/m2，同时，温泉洗浴比加热自来水洗浴成本低得多。
1 前言
以往，对于中低温地热资源，尤其是50℃左右地热水，通常只是提供温泉洗浴和种植养殖，很少用于供暖。这主要是因为老式的暖气片采暖的供回水温度要求较高，一般为95℃/70℃，50℃的地热水通过暖气片供暖很难达到室温要求。目前，随着地板采暖技术、风机盘管技术以及辐射吊顶技术的发展，采暖所需的热源温度大大降低，一般40～45℃即可满足供暖的需要。由此，给地热直接供暖和地源热泵技术供暖提供了广阔的市场空间。
北京顺义金汉绿港家园小区，是我院承担的一项利用中低温地热资源供暖和提供温泉洗浴的地热综合利用工程。该工程室内末端采用地板辐射采暖，利用热泵技术，用3口地热井基本解决了23万m2的住宅小区供暖和温泉洗浴的需求，使低温地热资源得到了有效地用。使用清洁的地热能源供暖、温泉入户，大大提升了住宅的品质，不但给小区居民提供了良好的生活环境和大气质量，同时也给了开发商丰厚的回报。
2 工程概况
金汉绿港家园是集住宅、酒店、餐饮、娱乐于一体的大型综合性住宅小区。建筑总面积为63万m2。一期建筑为23万m2，公建面积3万m2。金汉·绿港家园总的供暖负荷及公建部分冷负荷如下：供热负荷：冬季单位面积热指标为41W/m2，总计9430kW；公建部分：夏季单位制冷指标为80W/m2，总计2400kW。
根据以上冷热技术指标及该地地质条件，我院提出，冬季利用地热温泉井结合水源热泵技术供暖和提供温泉洗浴，供暖室内末端采用地板辐射采暖；夏季利用水源热泵机组和冷水井给公建部分供冷，末端采用风机盘管。该工程是深部地热能和浅部地热能综合利用的项目。
3 供暖制冷所需水量的确定
3.1 供暖制冷面积与水量关系式的推导
根据能量守恒定律可以推导出供暖面积与所需地热温泉井的水量的关系式，由此，可以根据供暖面积确定所需的地下水量；同样，也可以根据地热井的出水量和水温确定能够供暖的面积。
a.直接供暖
浅层地热能：全国地热（浅层地热能）开发利用现场经验交流会论文集
式中：S为供暖面积，m2；q为单位面积热负荷，W/m2；J为热功当量系数，4187焦耳/大卡；ρ为水的密度，1 T/m3；c为水的比热容，1×103kcal/T·℃；Q为地热井出水量，m3/h；t1为地热井的出水温度，℃；t2为供暖后尾水水温度，℃。
b.结合热泵技术供暖
浅层地热能：全国地热（浅层地热能）开发利用现场经验交流会论文集
式中：cop为热泵机组的供热系数，一般为4；t3为通过热泵提取热量后尾水的温度，℃。
由（1）、（2）关系式可以看出，地热井供暖的面积和地热水水量成正比。水量一定的情况下，与利用的温差成正比，即利用温差越大，供暖面积越大。
地热井结合热泵技术供暖，可以加大地热水的利用温差，相应减少了地热水的需求量，从而达到地热资源的集约利用的目的。如关系式（1）、（2）中的t2一般为40℃左右，而t3在10℃左右，提高利用温差30℃。对于一口出水温度70℃的地热井，通过热泵技术，可使1口地热井发挥两口地热井的效能，不但节约了投资，同时也节约了宝贵的地热资源。
3.2 所需地热井水量的确定
已知该小区的供暖总负荷为9430kW；热泵机组提取热量后的尾水温度可降低到7℃；根据可靠的地质资料分析推测地热井的水量、水温预测分别为水温55℃，水量60m3/h，井深3000m，热储目的层为蓟县系雾迷山组。
根据以上已知数据，可得出所需地热井水量为：126m3/h。
3.3 所需冷水井水量的确定
同样，根据能量守恒定律，可得出公建部分供冷时的水量与供冷面积关系式：
浅层地热能：全国地热（浅层地热能）开发利用现场经验交流会论文集
式中：EER为热泵机组的能效比，所得制冷量与输入电能之比，一般取5；t1为冷水井的出水水温，℃；t3为回灌时的水温，℃。
已知供冷总负荷2400kW；冷水井的出水温度为15℃，水量，井深；回灌温度27℃。根据以上已知数据代入关系式（3），可得3万m2公建部分所需水量为：206m3/h。
4 工程技术方案设计
该工程供暖需要温度55℃地热水流量为126m3/h，根据已知的水文地质资料可知，两口地热井即能满足水量的需要。该地区地热井回灌情况良好，1 口回灌井即能满足需要。因此，该供暖工程设计利用3口“地热井-热泵机组”（两抽一灌）满足一期建筑23万m2建筑面积的供暖要求和小区居民的温泉洗浴。
公建部分的供冷需冷水井水量为206m3/h，而地区井深100m，水量可达80m3/h，因此3口抽水井即能满足需要。该地区回灌情况一般，抽灌比例为1∶2，因此，冷水井的总数量为9口。利用冷水井-热泵机组满足公建部分夏季供冷的需要。室内末端采用地板采暖技术，公建部分末端采用风机盘管。
为满足水源热泵机组蒸发器侧进出水温度的要求，同时因地热井水不能够直接进入机组使用，因此将地热井水通过板式换热器进行换热使用，板式换热器一次侧进水流量为120吨/小时，温度为55℃，出水温度为9℃，二次侧（水源热泵机组侧）水流量约为750吨/小时，进水温度为7℃，出水温度为15℃。二次侧水量能够满足机组全部运行时的总水量的要求。
5 运行费用分析
5.1 机房内主要设备及配电量（表1）
表1 机房内主要设备及配电量
其他设备总计暂估为150kW。总配电量暂估为2880.2kW。冬季的最大用电量为2880.2kW，夏季最大用电量为300kW。
5.2 运行费用成本分析
供暖运行成本主要包含以下几项内容：用电成本、人员工资及福利、设备折旧费、年维修费各种税费等。
运行6台热泵机组可以满足最大荷载，6台机组冬季可以提供的最大热量为9504kW，冬季机组满载运行时，机组本身和其相关辅助配套设备总用电功率为2880.2kW。
根据以上功率（2880.2kW）负荷计算冬季运行费用，设每天的平均满载运行时间为12小时。水源热泵中央空调冷热源方案设备的年运行电费为：240.56万元（冬季）。
由于本工程采用自动控制技术因此运行时需要6 人维护即可（三班倒），人员工资为：
6人×4月×1600元/（人月）＝3.84万元
所有设备的使用年限为15年，水井为15年，则每年的折旧费用为：设备，77万元/年；水井，83万元/年；总计160万元。每年维修费为10万元。总计414.40万元。折合每平米的年运行费用为18 元/m2。目前北京市集中供暖的价格为24 元/m2，天然气采暖的为30元/m2，因此，利用地热井结合水源热泵技术进行城市供暖不但技术上是可行的，而且具有价格优势。
该小区地热井不但作为供暖的热源，还可提供小区的温泉洗浴。使用电热水器加热一吨自来水需23元，燃气热水器需14元，而家用地热温泉水洗浴只需每吨交纳3.5元的矿产资源税。遇到极端寒冷天气，供暖和洗浴用水发生冲突时，可以启动冷水井进行调峰。
6 结论和启示
利用地热井结合水源热泵技术进行城市供暖和提供温泉洗浴，技术上是完全可行的，运行成本相对于燃气也占优势。更重要的是地热资源是一种近乎可再生的清洁能源，无任何废气、废料的排放，非常有利于改善城市的大气质量。
地热井结合热泵技术供暖相对于普通的水源热泵供暖，还具有以下几个优点：
（1）在供暖的同时，可以兼顾提供温泉洗浴；
（2）由于水温较高，相应降低了对水量的要求，进而减少了水井的数量，减少了占地；
（3）地热井深度一般在3000m左右，开采的热水一般为基岩裂隙水，对地面沉降几乎无任何影响；冷水井一般80m左右，大部分抽取的是第四纪含水层中的承压水，相对影响稍大。
缺点主要是地热井的造价较高，钻井的风险也较大。
地热井结合水源热泵供暖技术，为低温地热用于供暖提供了一条新思路。我国大部分城市都具有这种低温地热资源，如能广泛利用，对于解决城市大气污染、节能、节约占地等都有非常积极的意义。
参考文献
［1］戚筱俊.水文地质与工程地质.北京：水利电力出版社，1985
［2］周念沪.地热资源开发利用实物全书.北京：中国地质科学出版社，2005
［3］陆耀庆.暖通空调设计指南.北京：建筑工业出版社，1990
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［5］朱家玲等.地热能开发与应用技术.北京：化学工业出版社，2006