论文题目：基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统优化配置
摘要：随着城镇化进程快速推进,中国北方城镇供热负荷及供热能耗量逐年增大,导致北方地区冬季大气环境污染进一步恶化,这在很大程度上威胁了人民身体健康。相对于燃煤锅炉或燃煤热电联产供热方式,燃气锅炉房或燃气热电联产供热方式虽然可在一定程度上改善大气环境,但其供热成本较高且中国冬季燃气供应严重不足。因此,燃气锅炉方案或燃气热电联产供热技术发展与应用受到了约束。为打赢“大气污染防治攻坚战”,国务院要求各地政府,尤其是大气污染物传输通道“2+26城市”,遵循“因地制宜、多措并举、创新驱动”方针,积极开展清洁供热,大力开发地热能等可再生源,以优化供热能耗结构。水热型地热具有密度大、温度高、热稳定性好等特点,是一种较理想的集中热源。然而,复杂地质构造运动致使水热型地热资源空间分布不均匀。部分大型水热型地热田远离城镇供热负荷区,从而导致地热长距离输送成本高,地热资源开发困难。为解决上述地热资源开发过程存在的问题,本文提出了基于压缩式换热的中深层地热集中供热方式。该集中供热方式在热源站设置升温型吸收式换热机组,在热力站设置压缩式换热机组。其中,升温型吸收式换热机组是由升温型吸收式热泵和水水换热器耦合而成,用于减小地热水与一次管网循环水换热过程的不可逆损失,提高一次管网的供水温度;压缩式换热机组是由电动压缩式热泵和水水换热器耦合而成,用于实现一次管网循环水热能梯级利用,大幅降低一次管网回水温度,以增大一次管网供回水温差。为清晰表达供热系统优化配置规律,本文结合地热水热能梯级利用需求提出了三种中深层地热集中供热系统工艺,建立了供热系统热力学模型,并从热力性能、经济效益和环保效益方面来研究基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统优化配置规律。第一种供热工艺:基于直燃型吸收式热泵的中深层地热集中供热系统;第二种供热工艺:基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统;第三种供热工艺:基于压缩式和吸收式换热的中深层地热集中供热系统。研究表明,降低一次管网回水温度不仅有助于增大一次管网供回水温差,而且还有助于高效开发利用中深层地热能。相对于水水换热器,升温型吸收式换热机组的换热过程不可逆损失较小,且其一次管网循环水出口温度高于地热水入口温度。随着地热供水温度变低,热力站中的压缩式热泵与水水换热器容量配置比增大,热源站中的升温型吸收式热泵与水水换热器的容量配置比例几乎不变,三种供热系统的热力性能及节能潜力降低。当地热水温为75℃、供热距离为20km时,第三种供热系统的年化石能源利用率和年产品?效率比第二种供热系统分别提高了0.33和0.68%,比第一种供热系统分别提高了0.53和3.77%。与燃气锅炉集中供热模式相比,第一种、第二种、第三种供热系统的燃气消耗量分别可降低90.25%、91.03%和91.46%。当地热水温为65℃、供热距离为20km时,第三种供热系统的年化石能源利用率和年产品?效率比第二种供热系统分别提高了0.55和3.35%,与第一种供热系统相比,年化石能源利用率相差不大,但产品?效率却高了13.79%。与燃气锅炉集中供热方式相比,第一种、第二种、第三种供热系统的燃气消耗量分别可降低80.09%%、81.40%和84.15%。当地热水温为55℃、供热距离为20km时,第三种供热系统的年化石能源利用率和年产品?效率比第二种供热系统分别提高了0.33和3.54%,比第一种供热系统分别提高了0.30和19.24%。与燃气锅炉集中供热方式相比,第一种、第二种、第三种供热系统的燃气消耗量分别可降低66.27%、73.57%和77.03%。由此可见,在三种供热系统工艺中,第三种供热系统工艺的热力性能最高、节能减排效果最好、经济效益最优,因此其能量利用工艺先进、系统配置最优。当地热水入口温度为75℃时,第三种供热系统的一次管网主干线经济输热距离长达42km;当地热水入口温度为65℃时,第三种供热系统的一次管网主干线经济输热距离长达30km;当地热水入口温度为55℃时,地热利用难度增大,供热系统投资升高,且需要消耗大量的高品位能源,从而导致供热系统运行费用较高,系统投资回收期较长。基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统具有较高的热力性能、较大的节能减排潜力和较好的经济效益,在水热型地热资源丰富的“2+26城市”地区具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。本文的研究结果可为中国北方地区的中深层地热开发利用和清洁供暖发展提供新思路,也可为实现中国“碳达峰、碳中和”发展目标提供技术支持。
关键词：地热能;清洁供热;压缩式换热;长距离输热;优化配置
学科专业：建筑与土木工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 集中供热发展动态
1.2.1 国外供热发展动态
1.2.2 国内供热发展动态
1.3 中国地热资源禀赋及开发利用技术
1.3.1 中国地热能资源禀赋
1.3.2 地热能供热技术发展动态
1.4 热泵技术研究动态
1.5 本文主要研究内容
第2章 中深层地热集中供热系统热力学模型
2.1 中深层地热集中供热系统集成及运行原理
2.1.1 基于直燃型吸收式热泵的中深层地热集中供热系统
2.1.2 基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统
2.1.3 基于压缩式和吸收式换热的中深层地热集中供热系统
2.2 压缩式换热机组系统工艺及运行原理
2.3 供热系统热力学模型
2.3.1 压缩式换热机组热力学模型
2.3.2 升温型吸收式换热机组热力学模型
2.3.3 直燃型吸收式热泵热力学模型
2.3.4 燃气锅炉热力学模型
2.3.5 一次管网热力学模型
2.3.6 供热系统运行调节热力学模型
2.4 热力学性能评价指标
2.4.1 化石能源利用率
2.4.2 ?和产品?效率
2.5 本章小结
第3章 中深层地热集中供热系统优化配置
3.1 集中供热系统运行调节
3.2 场景一地热供热系统优化配置
3.2.1 系统工艺一系统配置分析
3.2.2 系统工艺二系统配置分析
3.2.3 系统工艺三系统配置分析
3.2.4 三种系统工艺热力性能分析
3.3 场景二地热供热系统优化配置
3.3.1 系统工艺一系统配置分析
3.3.2 系统工艺二系统配置分析
3.3.3 系统工艺三系统配置分析
3.3.4 三种系统工艺热力性能分析
3.4 场景三地热供热系统优化配置
3.4.1 系统工艺一系统配置分析
3.4.2 系统工艺二系统配置分析
3.4.3 系统工艺三系统配置分析
3.4.4 三种系统工艺热力性能分析
3.5 地热水温度对供热系统热力性能影响
3.5.1 地热水温度对系统工艺一系统热力性能影响
3.5.2 地热水温度对系统工艺二系统热力性能影响
3.5.3 地热水温度对系统工艺三热力性能影响
3.5.4 地热水温度对系统热力学性能影响
3.5.5 地热水温度对系统设备配置影响
3.6 本章小结
第4章 中深层地热集中供热系统效益分析
4.1 工程概况
4.2 节能减排效益分析
4.3 经济效益分析
4.3.1 工程初投资分析
4.3.2 供热成本分析
4.3.3 碳交易价格对供热经济效益的影响
4.3.4 地热水温度对系统投资回收期的影响
4.4 本章小结
结论
参考文献
致谢