目前，隨著常規(guī)能源的日益匱乏，國內(nèi)外開始了尋求新型的可再生能源。地熱能以清潔、可再生、無污染等特點逐漸受到人們的青睞。本文在分析深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關鍵技術的基礎上，指出深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的可行性，對于今后深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展具有一定作用。

進入21世紀以來，隨著國內(nèi)低溫地熱資源開發(fā)利用的迅速發(fā)展，地熱利用方式開始由單級直接供熱系統(tǒng)向梯級間接供熱系統(tǒng)轉變。高溫熱泵技術和低溫地板輻射供暖等新型技術的出現(xiàn)使地熱梯級供熱成為可能。與此同時，以中、低溫地熱資源為驅動熱源的溴化鋰吸收式制冷技術也取得了相應發(fā)展?？v觀近年地熱資源的發(fā)展現(xiàn)狀不難看出，國內(nèi)低溫地熱資源的理論研究和示范工程僅僅停留在單一地熱供熱或供冷階段，缺少了對地熱同時供熱供冷技術的理論研究和示范工程。然而，在許多大型公共建筑常有內(nèi)、外區(qū)之分，在供暖季節(jié)，建筑物內(nèi)外區(qū)房間供熱的同時，因戶間傳熱的影響，內(nèi)區(qū)房間可能需要供冷；此外，冬季牛奶廠的不同廠房也需要同時供熱供冷的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

1 關鍵技術分析

1.1 板式換熱器的選材和優(yōu)化參數(shù)

在深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，地熱水中常含有氯離子、溶解氧等腐蝕性的化學成分，影響了設備和管道的正常使用壽命。為減少對供熱管道和設備的腐蝕，目前工程設計中采用地熱間接供熱系統(tǒng)，換熱設備選用抗腐蝕性強的鈦材制成的板式換熱器。板式換熱器的主要作用是將地熱水與循環(huán)水隔開，地熱水只將熱量傳給潔凈的循環(huán)水而并不進入循環(huán)系統(tǒng)，從而使地熱水的流通只限于從井口到板式換熱器的小段距離內(nèi)，大大減小了防腐處理的難度。

在板式換熱器的優(yōu)化設計中，考慮的主要目標是使換熱量達到最大時的投資費用最小，而投資費用主要與換熱面積有關。板式換熱器的目標函數(shù)可用其換熱量最大和年投資費用最小來評價。優(yōu)化參數(shù)是影響目標函數(shù)的變量，對深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)來說，地熱水的水流量和出水溫度是恒定的，而地熱水的第一級回水溫度、與地熱水換熱的循環(huán)水流量和進、出121溫度和地熱水的回灌溫度均是可變參數(shù)，因而可作為板式換熱器的優(yōu)化參數(shù)。

1.2 高溫熱泵技術

熱泵技術是熱能利用中的節(jié)能技術，通過消耗一定的能量(電能或高溫熱能)，從低溫熱源中吸收一部分熱量，而得到更高的可供利用的熱量，其性能優(yōu)劣一般用供熱系數(shù)COPh來衡量。在深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，為實現(xiàn)地熱水的多級利用，對出水溫度在60-85℃的地熱水經(jīng)第一級利用后，地熱回水再與第二級板式換熱器換熱，將熱量傳給高溫熱泵蒸發(fā)側的中間循環(huán)水，經(jīng)熱泵升溫后，其負荷側供水溫度可達到80℃左右，一部分為建筑物供熱，另一部分作為溴化鋰吸收式冷水機組的驅動熱源，實現(xiàn)了對建筑物的供冷。因常溫熱泵的蒸發(fā)器進水溫度不能超過2l℃，否則會因蒸發(fā)壓力過高導致壓縮機燒毀；常溫熱泵冷凝器的出水溫度不能超過55℃，否則也會因冷凝壓力過高導致壓縮機燒毀。同時大部分建筑供暖系統(tǒng)的木端形式為散熱器，供水溫度必須達到75℃以上。而地熱回水溫度較高，一般在40"C以上，常溫熱泵無法直接利用，故而采用高溫熱泵。

1.3 風機盤管技術

在常規(guī)的空調(diào)供熱系統(tǒng)中，風機盤管的設計未考慮溫度、流量變化對運行工況的影響，如風機盤管標準工況進口溫度為60℃，熱水的質(zhì)量流量較大，換熱后設計的進出水溫差僅10℃左右。然而，在深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，由于地熱水溫度和流量的變化導致風機盤管的運行工況不穩(wěn)定，因此風機盤管運用于深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)中會出現(xiàn)一定的困難。

風機盤管設備材料的選擇主要從節(jié)省投資費用方面來考慮，風機盤管主要由翅片換熱器和風機兩部分組成，翅片換熱器的成本由材料費和制造費組成，材料常用鋼管鋁翅片和鋼管鋼翅片，而采用鋼管鋁翅片時供熱成本最低，故深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)用風機盤管的翅片換熱器的材料采用鋁片鋼翅片，管束材料選用銅管。

風機盤管設備的優(yōu)化中，以供熱量最大和投資費用最小為目標函數(shù)，即單位供熱量的風機盤管投資費用最小。

2 深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的可行性研究

深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本原理是利用60"-'85℃的低溫地熱資源實現(xiàn)對某些建筑的同時供熱供冷，地熱水先經(jīng)第一級板式換熱器換熱后，獲得熱量的循環(huán)水作為風機盤管末端系統(tǒng)供熱的熱源；地熱回水再與第二級板式換熱器換熱后，將熱量傳給高溫熱泵蒸發(fā)側的中間循環(huán)水，經(jīng)熱泵升溫后，其負荷側供水溫度可達到80℃左右，一部分實現(xiàn)建筑物供熱，另一部分作為溴化鋰吸收式冷水機組的驅動熱源，制取7℃左右的冷媒水實現(xiàn)建筑物的供冷需求。

2.1 基本原理的可行性方案

我國的地熱資源以中低溫為主，90℃以下的地熱資源占總數(shù)的96％左右，其中大部分在60～85℃之間；而全國最大的地熱田山東商河地區(qū)的地熱水的出水溫度在56-68℃。根據(jù)我國地熱資源的以上特點，對不同的出水溫度，擬采用兩種不同的深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案。下面主要介紹兩種方案的基本原理并討論其可行性。

對出水溫度在90℃左右的地熱資源，先作為熱水型兩級溴化鋰吸收式制冷機組發(fā)生器的驅動熱源，實現(xiàn)了對建筑的供冷需求；換熱后的地熱水溫度是70℃左右，經(jīng)第一級板式換熱器換熱后，將熱量傳給中間循環(huán)水，獲得熱量的中間循環(huán)水可作為地板采暖或風機盤管的供熱熱源，實現(xiàn)了對建筑的供熱需求：由第一級板式換熱器出來的地熱回水溫度為50℃左右，再經(jīng)第二級板式換熱器換熱后，獲得熱量的中間循環(huán)水溫度僅為30-40℃，恰可作為中、高溫熱泵機組蒸發(fā)側的循環(huán)水，經(jīng)熱泵升溫后，冷凝側的出口溫度達到了60℃左右，可作為地板采暖或風機盤管的供熱熱源，實現(xiàn)了對建筑的供熱需求。

2.2 高溫熱泵技術

在我國，低溫地熱資源占地熱能總量的98％以上。目前，全國地熱資源直接利用總量已達到2410MW，居世界各國前列，但利用水平和效率比較低，對于25℃～50℃溫度段的能量利用率很差。為實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)發(fā)展，國家制定了“十五能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”：要求調(diào)整能源結構，減少燃煤造成的污染，大力開發(fā)可再生能源，其中提到了利用熱泵技術來充分利用低溫地熱資源。地熱作為一種清潔能源，實現(xiàn)了建筑供暖，該技術在我國北方城市發(fā)展迅速，目前天津市地熱供暖面積已達到約2000萬平方米，位居全國前列。北京市地熱供暖面積也達38萬平方米。低溫地熱資源利用主要解決的三個問題是：

(1)為實現(xiàn)低溫地熱資源的梯級利用，必須對溫度在40℃左右的地熱尾水溫度加以利用；

(2)對一些溫度在55℃左右的低溫地熱田，其能量品位低，不能直接作為散熱器末端供暖；

(3)減少因地熱尾水排放所造成的熱污染和地面沉降等問題。對于40*C左右的地熱水，普通熱泵無法利用，因為普通熱泵的蒸發(fā)器進水溫度不能超過21℃，否則會因蒸發(fā)壓力過高導致壓縮機燒毀；而且普通熱泵冷凝器的出水溫度不能超過55℃，否則也會因冷凝壓力過高導致壓縮機燒毀。此外，建筑供暖系統(tǒng)的末端形式主要有風機盤管、地板采暖和散熱器末端，設計供暖溫度都在60℃以上，因此實現(xiàn)地熱水的梯級利用必須使用高溫熱泵技術。

高溫熱泵機組采用高溫工質(zhì)HTR01或HTR02作為制冷劑，可以把30-60℃的低溫地熱水加熱到70-90℃，從而實現(xiàn)了地熱水的梯級利用，基本解決了低溫地熱資源利用中的三個問題。此外，高溫熱泵技術使深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的兩種方案成為可能。

3 結語

綜上所述，深層地熱水熱泵空調(diào)系統(tǒng)在原理上是可行的，該系統(tǒng)方案可實現(xiàn)對建筑物的同時供熱供冷需求。在許多大型的公共建筑中常有內(nèi)、外區(qū)之分，在供暖季節(jié)，建筑物的外區(qū)房間需要供熱的同時，因戶間傳熱的影響，內(nèi)區(qū)房間需要供冷。