山西新利通MALL地热综合利用工程
山东黄金集团烟台设计研究工程有限公司 赵承伟
烟台大正地热空调设备工程有限公司
山东农业大学水利土木工程学院 刘 惠
[摘 要]本文主要介绍了通过水源热泵充分利用地热能量，将其应用于建筑空调及热水供应系统，以实现地热水的梯级利用从而达到节能、省钱、环保的目的。
[关键词]热泵 地热能梯级利用 地热水处理
Multi-purpose project of geothermy terrestrial heat in Shanxi xinlitong MALL
Zhou Chengwei1 Liu Hui2
（Yantai design-research engineering Co.Ltd of Shandong gold group,
Yantai Dazheng geothermal air-conditiong equipment engineering Co.Ltd
Hydraulic engineering institute of Shandong agriculture university)
[Abstract] The article dwells on sufficient utilization of heat-pump in association with geothermic energy and applied to heat-water supply system to realize graded use of geothamic energy, achieving the target of saving energy&money and environmental protection
[Keywords]Heat-pump Graded use of geothamic energy Terrestrical heat manage
一、概述
地热资源是指能够为人类开发利用的地热能、地热流体及其有用组分。地热是一种清洁能源，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，因而也备受世界各国的重视，同时它又是集热、矿、水于一体的资源，具十分宝贵的医疗价值。
我国大陆属欧亚板块的一部分，它的东侧为岛弧型洋-陆汇聚边缘，西南侧为陆-陆碰撞造山带，是由许多不同时期的古板块经碰撞增生和拼接而成，因此地热资源非常丰富，分布也较广，主要有沉积盆地传导型和隆起山地对流型地热资源，其中沉积盆地传导型地热资源分布于华北平原、汾渭盆地、松辽平原、淮河盆地、苏北盆地、汉江盆地、四川盆地、银川平原、河套平原等地区，主要热储层为厚度数百米至数千米的第三系砂岩、砂砾岩。山西省位于汾渭盆地，地热资源主要分布在汾渭地堑及忻州断陷盆地，在部分边山断裂带及山前倾斜平原部位也有分布，山西热矿水分布的盆地按基底岩性结构分两种类型：一类是基底岩性为碎屑岩加碳酸盐岩结构的太原、临汾、侯马、运城盆地，另一类是基底为古老变质岩结构的大同、忻州盆地。
二、工程介绍
笔者介绍的该地热综合利用工程位于山西省运城， 山西新利通MALL位于运城市黄金地段，东临南风广场，南接河东路，北通禹都大道，西侧为火车站和长途汽车站。它博采古今中外商贸建筑设计之长，为运城市2002年2211重点工程，河东大地的标志性建筑，总投资 5.8亿元人民币，建筑面积21万平方米，是以美国加州主街MALL为模型，集购物、娱乐、休闲、餐饮、信息、金融、旅游、居家为一体的超级商业组群，具体的建筑功能和空调冷热负荷见表1，用水量见表2
|
建筑 名称 |
结构 |
层 高 m |
建筑面积m2 |
功能 |
夏季冷负荷(KW) |
冬季热负荷(KW) |
工作 压力(MPa) |
所需资用压力(MPa) |
|
|
东部一 |
地下一层 |
4.8 |
7522 |
超市 |
2700 |
2800 |
≤1.0 |
0.3 |
|
|
地上部分三层 |
5.0 |
8800 |
商店 |
||||||
|
地上部分四层 |
5.0 |
11694 |
餐饮 |
||||||
|
东部二 |
地下一层 |
4.8 |
6240 |
超市 |
2950 |
3000 |
≤1.0 |
0.3 |
|
|
地上部分三层 |
5.0 |
9400 |
商店 |
||||||
|
地上部分四层 |
5.0 |
12424 |
餐饮 洗浴 |
||||||
|
东部三 |
地下一层 |
5.0 |
2450 |
设备间 |
低区1829 高区3300 |
低区2194 高区4100 住宅 1670 |
低区≤1.0 高区1.45 住宅 ≤0.8 |
低区0.3 高区0.35 住宅 0.15 |
|
|
地上写字楼、酒店、裙房三层 |
5.0 |
7350 |
|
||||||
|
地上写字楼26层 |
2.8 |
40925 |
|
||||||
|
东部四 |
地下一层 |
5.8 |
2400 |
游泳池 |
|||||
|
地上三层 |
5.0 |
5190 |
商店 |
||||||
|
住宅四幢 |
地下一层 |
2.8 |
1600 |
设备间 |
|||||
|
地上十八层 |
3.0 |
23200 |
|
||||||
|
西部一 |
地下一层 |
4.8 |
8300 |
地下停车场 |
2423 |
1992 |
≤1.0 |
0.3 |
|
|
地上三层 |
5.0 |
22760 |
商场 |
||||||
|
西部二 |
地下一层 |
4.8 |
10583 |
地下停车场、设备间 |
3460 |
2850 |
≤1.0 |
0.3 |
|
|
地上五层 |
5.0 |
30743 |
商场 |
||||||
|
合计 |
211761 |
|
16662 |
18606 |
|
|
|||
空调夏季供回水温度为7-12℃，冬季供回水温度为40-45℃，生活用热水为60-50℃，住宅采暖为50-40℃，地热水洗浴供水温度为50℃
1.日常用热水
|
项目 |
数量（床） |
用水标准 |
用水水温 |
日用水量（m3/d） |
压力要求 |
|
客床（东三、四） |
580 |
180L/床d |
60℃ |
104.4 |
115m |
|
淋浴（东三、四）（游泳馆） |
50个 (淋浴器) |
250L/h |
37～40℃ |
150(按照12小时计) |
10m |
|
住宅 |
609人 |
60L/人d |
60℃ |
36.5 |
80m |
|
东二洗浴中心 |
40个 (淋浴器) |
250L/h |
37～40℃ |
120(按照12小时计) |
30m |
客床部分分3区（标高22.2m～92.7m）
住宅部分分2区（住宅部分标高15.0m～58.7m）
2.地热温泉用水
1.游泳馆：补水量为60m3/d，压力10m（游泳池体积约600m3，池体水温27℃；
2.洗浴中心：补水量为60m3/d，压力30m
建设单位在运城南风广场打两口地热井，地热井的成井参数见表3
|
项目
井号 |
水温 (℃) |
水量 (m3/h) |
Cl- (mg/l) |
SO42- (mg/l) |
矿化度 (mg/l) |
可溶性 固体 (mg/l) |
井深 (m) |
静水位 (m) |
动水位 (m) |
|
南风广场1#井 |
70 |
160 |
7466.5 |
3770.4 |
18311.2 |
18212 |
3080 |
28 |
56 |
|
南风广场2#井 |
58 |
120 |
6070.8 |
4896.8 |
17043.9 |
16956 |
2036 |
36 |
61 |
根据表1表2我们可以看出，该工程可以分为用于生活热水、住宅采暖、商场空调和洗浴水处理和及供应供水四部分，具体设计工程流程工艺详见地热综合利用流程图，以下为工程中需要着重考虑的问题：
1、住宅采暖仅为有冬季采暖运行的需求，而且运行所需的资用压力较小，供暖方式采用一次泵系统一泵到顶的供暖方式，采用使用钛板换热器换热供暖方式；2、商场既要空调既要满足冬季供暖还要还要满足夏季制冷的需要，因此采用水源热泵系统，在冬季利用地热水尾水供暖，将地热尾水降温至15℃排放，实现地热水的梯级利用，；夏季和使用冷却塔联合制冷，。此外由于商场空调分高低两区，也就是水源热泵在冬季冷凝器分区，蒸发器共用；在夏季蒸发器分区，冷凝器共用；
3、由于生活用水的最大小时用水量较大，因此设置生活洗浴用热水箱，采用开式变频供水方式供水，在生活洗浴用热水箱和换热器之间设置中间循环泵19，该泵的启停由设置在水箱供水口处的温度变送器的信号控制，供水温度高于60℃时，中间循环泵停止工作，供水温度低于45℃，中间循环泵开始工作；
4、由于热源为两口地热井，均采用变频控制，由于用水量的变化，对两口井采用编程控制，南风广场1#井为主井，南风广场2#井为附井，根据用水量的变化，采用编程变频技术对两口井进行控制。在用水量较小时，采用对1#井进行变频控制，用水量大时，1#井工频工作，2#井变频控制，。地热尾水排水的排放温度温度为15℃，在排水管处设置温度变送器调节电动调节阀的开度，为减少流量变化对钛板换热器产生的压力冲击，降将电动调节阀安装于钛板换热器之前，并加以自锁压力调节阀的旁通连接；
5、根据表1可以看出系统的冷负荷为16662KW，热负荷16936KW（除去住宅采暖），由于空调系统功能分区较多，既有商业步行街及商店，也有餐饮和超市，综合以上条件，确定计算后空调系统的同时使用最大同时使用负荷为冷负荷14300KW，热负荷14574KW；
6、地热尾水的处理：由于运城地热井主要是位于第三系的砂岩层中的孔隙性热储中，热储的孔隙率、渗透系数、弹性释水系数较低，增加了回灌的难度，；且地热水中含有的盐分较高，直接排放会造成环境污染，。但运城却有其特定的条件，：在古老的地质时期，由于地壳运动，运城南北两侧山脉隆起，形成北面的峨嵋岭、南面的中条山，而运城盐池一带则地层下陷，形成一个狭长的陷落地带，盐池就位于这一陷落带的最低处。后来，黄河流域的气候变得高温多雨，导致山洪频繁暴发，大水直泻而下，在运城形成一个广袤的湖泊，同时也把湖泊南北两侧山脉的钾、钠、钙、镁等化学成分冲入湖里，并使其在漫长的岁月里积累了丰富的盐分。后来黄河流域气候变得炎热干燥，淡水一点点被蒸发，盐水浓度越来越高，最终形成了运城的盐池，也正是这个原因在运城南风广场打的两口地热井中的Cl-含量都比较高，但。考虑到直接排放不会对地表造成大的环境影响，因此采用把低温地热水低温直接排放到盐池的处理方式。
注:阀门1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12为高低区设备分区用,冬季开2、3、7、8、10、11；关1、4、5、6、9、12;夏季开1、4、5、6、9、12；关2、3、7、8、10、11
|
序号 |
设备名称 |
技术性能 |
单位 |
数量 |
备注 |
|
1 |
热潜水泵 300QJR240-88/4 |
Q=240m3/h H=88mH2O N=100KW |
台 |
1 |
|
|
2 |
热潜水泵 250QJR125-80/5 |
Q=125m3/h H=80mH2O N=50KW |
台 |
1 |
|
|
3 |
井口装置 |
|
套 |
2 |
|
|
4 |
干式热水表 |
DN150 |
块 |
1 |
|
|
5 |
干式热水表 |
DN150 |
块 |
1 |
|
|
6 |
除砂器 |
DZS-350/60 Q=60m3/h |
台 |
4 |
|
|
7 |
氧化反应器 |
YPS-550/DZ Φ2200 Q=60-80m3/h |
台 |
1 |
|
|
8 |
水处理过滤器 |
DZ-2000/40 Φ2000 Q=30-40m3/h |
台 |
2 |
|
|
9 |
提升泵 SLW80-160A |
Q=61m3/h H=24mH2O N=7.5KW n=2950rpm |
台 |
2 |
耐腐蚀泵 一用一备 |
|
10 |
恒压输水泵 SLW80-160（I） |
Q=100m3/h H=32mH2O N=15KW n=2950rpm |
台 |
2 |
耐腐蚀泵 一用一备 |
|
11 |
玻璃钢离心风机 |
Q=1120m3/h P=310mH2O N=1.1KW |
台 |
1 |
|
|
12 |
空压机 |
W-1.0/7 Q=1.0m3/h P=0.7MPa N=7.5KW |
台 |
1 |
|
|
13 |
地热水水箱 |
V=100m3Φ6000×3600 (m×m) |
台 |
1 |
|
|
14 |
分水器 |
Φ500 L=2210mm |
台 |
1 |
|
|
15 |
板式换热器 |
M10-BMFL F=15m2 |
台 |
1 |
|
|
16 |
板式换热器 |
M10-BMFL F=20m2 |
台 |
1 |
|
|
17 |
板式换热器 |
M15-BMFL F=75m2 |
台 |
3 |
|
|
18 |
集水器 |
Φ500 L=2770mm |
台 |
2 |
|
|
19 |
洗浴水输水泵 SLW80-125 |
Q=50m3/h H=20mH2O N=5.5KW n=1480rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
20 |
住宅供暖循环泵 SLW125-160B |
Q=138m3/h H=24mH2O N=15KW n=2950rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
21 |
洗浴水供水泵(高区) SLW65-315 |
Q=25m3/h H=125mH2O N=30KW n=2950rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
22 |
洗浴水供水泵(中区) SLW65-250（I） |
Q=35m3/h H=83mH2O N=22KW n=2950rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
23 |
洗浴水供水泵(低区) SLW80-160 |
Q=50m3/h H=32mH2O N=7.5KW n=2950rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
24 |
洗浴水水箱 |
V=100m3 Φ6000×3600 (mm×mm) |
台 |
1 |
|
|
25 |
全自动软化水装置（双罐） |
Q=30-60m3/h |
套 |
1 |
|
|
26 |
软化水箱 |
V=60m3 （L×W×H）（mm×mm×mm） 4500×4000×3400 |
台 |
1 |
|
|
27 |
恒压变频补水泵 SLS80-315(I) |
Q=100m3/h H=125mH2O N=75KW n=2950rpm |
台 |
2 |
一用一备 |
|
28 |
水源热泵机组 |
QL=1430KW NL=285.4KW QR=1646KW NR=380.6KW |
台 |
10 |
两台承压1.6MPa 八台承压1.2MPa |
|
29 |
集分水器 |
Φ600 L=4810mm |
台 |
2 |
|
|
30 |
冷冻水循环泵(高区) SLW200-400（I）A |
Q=374m3/h H=44mH2O N=75KW n=1480rpm |
台 |
3 |
两用一备 |
|
31 |
冷冻水循环泵(低区) SLW250-400A |
Q=470m3/h H=44mH2O N=90KW n=1480rpm |
台 |
4 |
无备用泵 |
|
32 |
热泵循环泵 SLS300-315A |
Q=650m3/h H=28mH2O N=75KW n=1480rpm |
台 |
5 |
无备用泵 夏季兼作冷却水循环泵 |
|
33 |
弹簧式安全阀 |
A41H-16C DN100 0-1.4MPa |
台 |
1 |
|
|
34 |
角式横流冷却塔(低噪音) |
Q=320m3/h N=5.5×2KW |
台 |
10 |
|
|
35 |
快速除污过滤器 |
KC450 |
台 |
1 |
|
|
36 |
快速除污过滤器 |
KC300 |
台 |
1 |
|
|
37 |
电子除垢仪 |
SHN-18 |
台 |
1 |
|
|
38 |
电子除垢仪 |
SHN-6 |
台 |
2 |
|
|
39 |
电子除垢仪 |
SHN-4 |
台 |
2 |
|
|
40 |
水锤消除器 |
DN100 |
台 |
1 |
|
四、问题与建议
该工程2005年竣工已运行三年，笔者曾回访地热站的运行情况，通过与运行管理人员的交流，得知整个系统运行正常，但也出现了一些问题，具体问题如下：
1.由于目前新利通MALL的酒店没有投入使用，水源热泵没有完全启动，由于住宅供暖和生活洗浴用水正常使用，地热水排水温度高于设计排水温度，造成地热资源的浪费，这一问。题在系统设计时没有考虑部分供暖负荷时的系统调节问题，不过该问题可以在建筑的全面投入使用后得以解决；
2、夏季空调系统制冷时，冷却水系统的冷却温度回水温度较高，。经过现场研究发现，问题出于两方面，一是工程安装时将快速除污器方向装反，造成过滤网堵塞，系统流量小的原因，；另一方面是建设单位在设备招投标时，投标单位提供的冷却塔的流量仅为300m3/h，造成冷却量不够能力不足；。
五、结束语
通过山西新利通MALL工程可以看出，水源热泵系统与地热水的充分结合，在中央空调和地板采暖系统中不但可以减少地热水的水量还能充分利用地热水的热量，实现地热水的梯级利用，而且可以实现地热水的低温排放，还能体现水源热泵的节能环保的优势，在我国地热资源的应用中水源热泵的特点越来越明显，对于地热资源的可持续利用是一种推动和促进。
参考文献：
1、陆耀庆主编著 《实用供热空调设计手册》 中国建筑工业出版社
2、钱以明编著 《高层建筑空调与节能》 同济大学出版社
3、韩再生著《我国地热资源及其开发利用现状》城市地热资源开发保护与经济评价论坛，2006年11月，P83-P98
作者简介：
赵承伟 2001年毕业于山东建筑工程学院城建系，学士学位，毕业后一直从事地热综合利用以及水源热泵开发利用工作。
通讯地址：烟台市开发区泰山路118号，邮编264006 联系电话：0535-6936073 13562535031
刘惠 毕业于毕业于山东建筑工程学院硕士学位，现在山东农业大学水利土木工程学院，主要从事水源热泵技术相关的研究。
通讯地址：泰安市岱宗大街61# 联系电话：13455732557
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