地熱是深藏在地下的可再生能源， 距離地面500m到3000m左右。一般以水的形式存在，水被地層中溫度高的巖石層加熱形成熱水，熱水的溫度與所 在位置與地面的高度有關。一般來講，深度越深， 水對應的飽和溫度越高，地熱水對應的溫度越高，其溫度可高達 110 ℃，目前地熱水應用最廣泛為溫泉洗浴，其溫度范圍在 40~60 ℃之間，利用之后的熱水在30 ℃以 上，其中大部分被直接排放掉，造成能量的極大浪費，同時溫泉鉆井的費用較高，也會造成回收年的延長。采用水源熱泵系統(tǒng)對地熱尾水進行梯級利用， 滿足周 邊地區(qū)供熱需求，大大節(jié)省常規(guī)能源的消耗，減輕空氣質量污染。

地熱梯級利用的兩個重要設備為耐腐蝕板式換 熱器及熱泵機組。換熱器可以實現(xiàn)不同溫度介質溫度 的轉移， 保證用戶側的實際用熱需求。熱泵技術是利 用地熱能形成的低溫熱能資源， 采用熱泵原理， 通過 少量的高位電能輸入， 實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移 的一種技術。 地熱水被水泵輸送到地面以后首先進入溫泉水 池， 水的溫度一般為 60 ℃， 經過溫泉水池后熱水溫度 降為 40 ℃。由于 40 ℃的高溫水無法進入水源熱泵的 蒸發(fā)器， 因此該熱水先進入板式換熱器， 換取更低溫 度的熱水使其進入熱泵機組的蒸發(fā)器， 板式換熱器一 次側進出水溫度為 40/25 ℃，二次側進出水溫度為 6/25 ℃。整個系統(tǒng)能量的梯級利用原理如圖 1 所示。

從板式換熱器一次側出來的溫泉水溫度大約在 25 ℃。此時可以直接進入二級熱泵機組的蒸發(fā)器， 其 溫降為 10 ℃， 出水溫度為 15 ℃， 然后在進入三級熱泵 機組蒸發(fā)器， 提熱后溫度降為 5 ℃， 考慮到回灌難度較 大、 成本高， 此時溫泉水可以直接排放。 一級、 二級、 三級熱泵的冷凝器作為用戶側的高 溫熱源，向用戶源源不斷地統(tǒng)一供應 50/40 ℃循環(huán)熱 水， 解決采暖需求， 熱量的低溫熱源全部從熱泵的蒸 發(fā)器中汲取。 原有溫泉水熱利用系統(tǒng)的溫差僅為 20 ℃， 采用溫 泉熱水梯級利用之后， 系統(tǒng)的溫差提高到 55 ℃， 相比 于原有系統(tǒng)可以增加熱量利用 2.75 倍。

以山東某小區(qū)為例， 該地區(qū)供熱溫泉水溫度可以 達到 60 ℃， 溫泉水的水量為 75m 3/h， 未采用熱泵系統(tǒng)進行能量梯級利用之前， 溫泉水利用的熱量計算公式 如下。

q =1.163*G*△t

式中： q 為溫泉消耗的熱量， kW； G 為溫泉水的流量， m 3/h； △t 為溫泉水溫差， 20 ℃。 代 入 公 式 可 以 計 算 出 溫 泉 消 耗 的 熱 量 為 =1744kW。采用水源熱泵系統(tǒng)進行梯級利用之后可以 進一步利用的供回水溫差為 35 ℃， 提供的供熱能力計 算公式如下：

式中： Q 為溫泉熱水梯級利用可以提供的供熱量， kW； △t1 為板式換熱器進出口溫差，取 15 ℃； COP1 為一級 熱泵的能效比； △t2 為二級熱泵蒸發(fā)器的進出口溫差， 取 10 ℃； COP2 為二級熱泵的能效比； △t3 為三級熱泵 蒸發(fā)器的進出口溫差， 取 10 ℃； COP3 為三級熱泵的能 效比；通過初步計算選擇熱泵及板式換熱器的型號， 如表 1。

根據(jù)熱泵機組的樣本， 冬季熱泵額定工況下的入 口水溫為 15 ℃。供回水溫差為 8 ℃。而在該系統(tǒng)中熱 泵機組的入口溫度為非額定工況， 為 25 ℃， 切供回水 的溫差為 10 ℃， 因此需要根據(jù)機組的工況曲線圖進行 修正， 機組變工況曲線如圖 2。 根據(jù)變工況曲線圖， 進入熱泵機組的供回水溫差 為 5 ℃， 熱泵實際的出水溫度為 60 ℃， 蒸發(fā)器的進水 溫度為 15 ℃，查詢曲線可得制熱量的修正系數(shù)為136%， 輸入功率修正系數(shù)為 73%， 則實際的機組設計 參數(shù)修正后如表 2。

為了更好地分析溫泉尾水的經濟環(huán)保效益， 將其與市政集中供熱進行對比分析，集中供熱收費按照26.7 元 /m2，建筑物累計負荷按照山東省居住建筑標 準進行估算為 12727 GJ。 通過計算對山東某小區(qū)溫泉尾水采用梯級利用后， 可以取得良好的經濟環(huán)保效益， 每年可以為 93000 m 2 建筑面積供熱， 與集中供熱系統(tǒng)相比， 水源熱泵梯 級利用系統(tǒng)可以提供的供熱負荷為 4185 kW，每年可 以節(jié)約標準煤為 506 噸，節(jié)省 53.9 萬元，回收年限為 5.5 年； 減排 1261 tceCO₂， 37.9 tceSO₂， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉塵，節(jié)能環(huán)保效益非常顯著， 最大限度地利用淺 層地熱能中溫泉水的余熱資源，從一定程度上減少了 化石能源的消耗，同時對于環(huán)境污染能起到一定緩解。

溫泉水中的熱水屬于地下淺層地熱能的一種形式， 目前的熱能利用僅限于洗浴， 大部分的熱量被排放掉。如果增加水源熱泵的梯級利用系統(tǒng)，將溫泉水的尾水繼續(xù)通過熱泵進行梯級利用，可以為部分建筑供暖，就會減少常規(guī)能源的消耗。由于溫泉直接排放的 熱水溫度較高， 無法直接進入熱泵機組， 因此一級熱泵需要增加中介水系統(tǒng)。中介水與溫泉尾水通過板式換 熱器進行熱量交換， 結合實際的項目工程， 對熱泵梯級利用系統(tǒng)與集中供熱系統(tǒng)進行對比分析， 前者每年可 以節(jié)約標準煤為 506 t，節(jié)省費用 53.9 萬元，減排 1261 tceCO2， 37.9 tceSO2， 19.2 tceNOx， 344 tce 粉塵，經濟回收期年限為 5.5 年， 節(jié)能環(huán)保效益顯著， 同時對于環(huán)境 污染能起到一定的緩解。