地热区域供热系统的管道网络设计 -----对一所大学校园案例研究.doc

1、地热区域供热系统的管道网络设计-对一所大学校园案例研究 摘要地热区域供热系统的设计包括两部分：供热系统和管道网络设计。区域供热系统的设计和以一所大学校区为例的研究在耶尔德勒姆等著的1中给出了详细介绍。在这项研究中，管道网优化设计的基础上进行评估后，热中心位置的成本和管道网络，这是由管道材料，目标单位管道压力损失和安装类型（TPL）的共同设计参数而定，并为同一个校园案例进行了分析。关键词：地热 区域供热系统 管网设计 热泵1、绪论地热集中供热，在某些情况下区域供冷网络的设计提供加热和/或冷却空间，从一个或多个领域。该系统开发的地热集中供热已成为全球一个直接使用的应用程序资源中增长最快的领域，占到

2、世界地热空间利用的 80多。由于多数地热资源为中低温度，并可以直接使用的资源，因而地热集中供热系统在土耳其得到广泛应用。 考虑到大约 400 兆瓦装机容量的 20 个区域供热系统，所以土耳其是世界上地热直接利用主要国家之一。供暖系统在地热区的研究大多集中在现有的评估系统的能量及火用分析，热效应的控制逻辑，经济评估系统，模型和相应的计算机模拟系统，包括模拟集中供热管网和供热系统的设计忽略了管网系统。管道网络占据了高达 60的地热采暖系统的总投资成本， 因此，优化区域供热管道是提高整个系统经济性的重要途径。这项研究不同于以往的管道设计，它主要在成本和管道网络中常见的设计参数中进行优化，包括热中心位

3、置，单位管长的压力损失，管道材料和安装类型。伊兹密尔技术研究所（IZTECH）校园是 2000 年以来兴建的。 这些建筑的数量目前已达到 15 栋约有 50730 平方米楼面面积，总的建筑热负荷约 3662 千瓦。 一旦开发完成后，校园总热负荷将达到11207 千瓦。独立供暖，通风和空调系统（HVAC）应用于每个建筑群。另一方面，从 1995 年和 2002 年之间，在校园附近的地方进行了探索研究表明存在地热资源。五梯度井钻探，其中一个位于 Gulbahce 湾的海岸，被发现生产井冷却的温度是 33 ，流量和 30kg/s，并审议通过用于校园暖气。 由于对低温地热资源，C。图 1 流程图管道网

4、络设计热泵区域供热系统（HPDHS ）进行了研究，并与现有的锅炉校园区个别燃油锅炉供暖系统（IFBHS）和一燃料为主的燃油锅炉加热系统（FBDHS）做了对比。每个系统进行了模拟每小时室内空气温度的控制参数，各种加热形式下进行了研究各种替代品冷凝器出口温度和地热流体流速。最后，经济分析表明，HPDHS 比IFBHS 和 FBDHS 更具优点。在这项研究中，校园的管网 HPDHS 设计优化的基础上进行评估后，热中心位置的成本和管道网络是由管材，管单位类型的长度和安装 TPL 共同设计参数而定。PipeLab 软件25作为模拟工具 2、管网设计管网设计参数包括热中心位置，TPL，管道材料，安装类型和

5、供暖系统设计参数，如冷凝器出口温度和地热流体的流速等。该中心位置的热量是至关重要的，因为它决定了压力损失，管道长度，从而对整个系统的成本集中供热。图 2 区域供热管网：方案 1图 3 区域供热管网：方案 3TPL 是一个管道网络中常见的设计参数。 区域供热的做法是将系统比摩阻设为 50-200 帕/ 米24。如果压力损失高，管径小而降低了投资成本，那么系统运行费用便会增加。 另一方面，如果压力损失低，管径越大而使投资成本增加，那么运营成本便会下降。管径优化计算要根据 TPL，水流速度，管网中的压头损失和网管投资。 由于管网投资占投资总份额的很大一部分，所以管道直径的优化对整个系统的经济性能来说

6、是很重要的。 管道直径的 选择对今后的运行成本也有很大的影 响。 管网总成本费用包括管道成本、 附件装置成本以及运行过程中校园内各种泵的成本，包括地热系统循环泵和补给水泵。地热区域供热系统的管道材料已经拥有很多类型与和较高的耐用性，但成本差异很大。 地热流体的质量和化学温度，包括成本，通常决定了管网材料使用的类型。 碳素钢，是目前使用最广泛的热网传输材料，特别是当流体温度超过 100。 另一方面，由于流体的腐C。蚀作用，复合材料（FRP）的管道也被广泛使用。预热绝缘管道在地热采暖中的应用十分普遍，它能最大限度地减少热量在流体传输过程中的损失。 预绝缘管道包括运输流体的管道，一个绝缘层和护套材料

7、。 管道传输温度为 115 流体在管道直径为 1 米，运输长度超过 3km 时，C。图 3 区域供热管网：方案 2图 4 区域供热管网：方案 4表 1 压力下降，管长，总抽水管和热运行中心的成本地点选择（设计温度：45/35 度，TPL：62.5 帕/ 米） 。在使用预热绝缘管道是，流体温度降低月 1 ， 因此，流体的热损失在传输过程中可以忽略不计。C。管道安装在地上或地下。 地上的安装类型通常是使用混凝土管和滚筒来支撑。 这种安装方式消除直埋的弊端，更容易维护。 然而，地上设施也容易受损害和破坏。 管道支持和约束，公路路口，管道排气和膨胀的规定是绝缘保护所要考虑的重要考虑因素。埋地管道系统，

8、是管网敷设的最常见的类型，它比地上敷设更安全，遇到的风险较少。对于地下管道安装有两个选择，一是直接埋到土壤，二是埋在混凝土管道中。 混凝土隧道的优势，在于能提供维修空间，减轻未来的扩展和方便增加其他的隧道通道的管道路线，例如生活用水，电力电缆，电话线等，但因为成本投入较高，一般首选直接埋到土壤类型的安装类型2,3,33。3、 方法网络设计流程图如图 1 所示。 供暖系统设计参数是耶尔德勒姆等著的 1中提到的。区供热管网的设计不仅要考虑现有建筑物，而且还要考虑未来的发展规划。3.1、 热中心位置对热中心位置的几个备选方案进行了研究，并给出了三个研究的数据结果。每一个选择是由 PipeLab 软件

9、来模拟的25，它使用图形理论来解决在设计阶段网络流量和管道热分配问题，并分析了现有的网络问题。 为 PipeLab 输入所需的文件包含系统中的节点数量，它们的 XYZ 坐标，与管长的关系，直径和粗糙度，边界条件，所需的流量和初始段的压头。 首先对管径进行假设，然后对每个管道直径进行 PipeLab 优化计算。 压力成直线下降和管道的直径计算出校园回路设计温度和默认 PipeLab表 2 管径，管，运行水泵各种 TPLs 运行成本（方案 3， TPL：150 帕/米） 。图 5 运行水泵和管道网络的成本对 TPL 的影响。 根据最低管道、运行水泵的成本以及压力损失，替代品之一可被评为最佳的选择。

10、3.2、 目标压力损失为了获得最佳的热中心位置的选择，对各种 TPL 进行测试，以便在 PipeLab 管道直径内进行选择。 区域供热的做法是设计系统压力损失为 50-200 帕/米24。 管道直径的选择取决于管道和运行水泵的成本。运行水泵成本的计算方法是根据公式（1） 。（1）hp 可以由取决于流速的 PipeLab 的系统压力损失计算出。3.3、 材料选择在土耳其碳素钢和复合材料常被用于管道材料应用在地热采暖地区。 对这两种管材进行的比较依赖于流体性质，温度和管道的成本。3.4、 管道安装考虑到其优势，管道安装首选地埋管道系统，即 直接掩埋，并与隧道掩埋进行了具体的成本的 比较。隧道设施的

11、单位建设成本与混凝土的单 位造价成本分别为 33.4 美元/米和 200 美元/ 米 34。配件的成本和工人工资被假定为管 道网络的总成本的 30。4、 结果4.1、 采暖系统设计参数图 6 校园循环主管道的管径图 7 管径与流体流速之间的关系图 8 校园 H/L 主干线图在给定的地热流体温度（T gi）33 和冷凝器入口温度 35 的系数热泵性能（COP）的系统中，各C。 C。种冷凝器出口温度（40-55 ） ，根据流体绘制流量曲线。 涉及到与制造商的产品类型和进出口温度差。冷凝器。根据缔约方会议，供暖系统液体流量设计参数的冷凝器出口温度和地热流量被确定为 645 和 120 公斤/ 秒，文

12、献1。4.2、 热中心位置热中心位置的选择有三种：_选择 1：热中心的位置靠近校园的主要入口（图 2） 。_选择 2：热中心是接近生产井（图 3） 。_选择 3：热中心位于校园的中心（图4） 。压力降曲线的关键，是为了在各种直径管道长度的抽水成本，管道和进行了计算为校园回路设计温度（45 _C 冷凝器outlet/35 _C 冷凝器进口）1和 62.5 帕/米TPL，这是 PipeLab 为每个替代位置默认TPL 的结果并列于表 1。 方案 2 具有最高的压降，并要求最长的管道。 虽然方案 1 和 3 的长度接近，其他管材大致相同，但选择 3 需要较短的管道直径较大的管道长度在这使得它更具成本

13、效益。 管道所造成的最低成本和经营抽水和压力下降，方案 3 似乎是最好的选择。4.3、 目标压力损失区域供热的做法是设计系统压力损失为 50-200 帕/米24。三种不同的 TPLs，分别是62.5，100 和 150 帕/米，从而可以看出方案三是 PipeLab 测试结果中的最佳选择。 结果列于表 2 和 150 帕/米管道 TPL 参数显示出的最低的成本，是因为它需要较短的管道直径在目标直径下。操作泵和管道使用费的计算公式（1）和单位管道成本、每个管道直径35TPL 的列于表 5 中。 数字显示，运行水泵成本几乎不变，管材成本大幅度降低，TPL 的增加。 因此，最高的可以接受的 TPL参数

14、为 150 帕/米，可以据此选定集中供热的管道设计29。在确定为方案 3 的 TPL 的循环长度和校园每个管道直径的地热的计算方法。 不同管径的 DN 65-350 之间为校园循环管道的直径范围（表 2 和图 6。 ）和 DN 250 的地热循环。 主管道中的节点和总管长是 46 管长度为 3518 米 ，返回主管道假定有相同的管道直径和长度。 速度之间的关系，水管直径径列于图 7。 速度范围计算 1.03-2.98 米/秒是一个允许范围，与次范围内给水的流速是给出 1-3 米/秒，返回主管道结果也同样的。展示 PipeLab 网络上的水头损失分布。 在 H / L 的环路图的校园供给最主要的

15、是如图 8 所示。 压降的计算结果为 24.6 米的电源供应和回报。 热中心气压下降假定为 25 米 因此，压头损失约为 80 米在校园内占用时间表是 9.00 -17.00 期间， 因此，泵的运行成本的计算公式（1） 。 图 9 显示了流量变化的总动力压头在校园的循环与补给水泵的损失。 图 9，是用于计算泵效率 95，电机效率75，年用电量的校园循环管道循环泵。 循环泵循环每年用电量的地热决心以同样的方式。 消费变化的年度电力总动力头的流量和地热循环与地热流体循环泵分别表示在如图 10 和表 3 中。4.4、 材料选择单位成本的碳钢管和复合见表 4 35，这表明，相同直径下复合管约比碳素钢管

16、便宜 13-35。 另一方面，由于地热流体的腐蚀作用，复合材料（玻璃钢）管是首选地热循环管材。HPDHS 水管管道供应网络设计的主要结果见表 5。 这可从表中看出，管道总长度在供应回路主校园和地热分别是2520 米和 1223 米。 因此，供暖系统总长度约 9486 米 。校园总成本和地热循环管道成本 248991 美元和 185896 美元，在 TPL 参数为 150 帕/米中。 因此，区域供热系统管道总成本的金额约为 434887 美元。4.5、 管道安装工资总额和地下管道的成本包括建筑安装，配件等列出并表于表6。 表中清楚地表明，管道成本中隧道混凝土比直埋敷设高出 2.3 倍以上。 因此

17、，IZTECH 校园 HPDHS直埋绝缘管道安装被选中。4.6、 经济比较用 HPDHS 供热系统管道和 IZTECH 校园出现 IFBHS 的总投资及网络业务费是列于表 7。 表 7 中显示，HPDHS 投资约高出九倍比IFBHS，尽管 IFBHS 只包括现有的投资成本的锅炉，循环泵的建筑物不包括新的和加热设备。 另一方面，总运营成本 HPDHS 是 IFBHS 的四倍。 项目 HPDHS 运营成本和IFBHS 是电力，燃料，石油，人事，水，抑制剂和其他化学品和维护的总和。 根据评估的替代品的投资内部收益率（IRR ）的方法，这显示了利润的大小。 按照内部回报率计算，投资之间的差异主要表现在

18、运作及摊销成本的替代品的不同使用。 摊销的寿命被认为是 20 年， 在内部回报率计算，该系统每年的业务费用，假设成本不变，在 20 年的业务和差异被认为是利润。 现金流量是系统差异年利润及摊销费用。HPDHS 和 IFBHS 比较摊销的成本和现金流量的是在 20 年期结束时。 该 HPDHS 现金流量是 1333846美元，内部收益率取决于 IFBHS 并计算其为现金总流量的 4.07。5、 结论地热区域供热系统的设计包括加热系统和管网设计。 由于管道网络包括很大一部分管网的总投资和运营成本，所以优化成本有重要的影响。在这项研究中，用 PipeLab 软件模拟了管道 HPDHS 校园网络 IZ

19、TECH 类型，共同管网设计参数，热的中心位置，TPL，管道材料及安装进行了研究，以减少总投资和运作成本。热中心位置是至关重要的，影响到管道长度、压力损失，因此事关整个集中供热系统的成本。 三个中心位置的方案介绍了该中心的研究：一种是接近生产井（方案 2） ，其他是接近建筑物（方案 1 和3） ，并作出了关于方案之间关于管道长度、总管道和运营成本的对比。 尽管方案 3 与方案 1 几乎是相同的管道长度，但管道成本低了 34比方案 1。 另一方面，方案 2 需要管的长度比方案 3 多了 9%的长度和 30以上的成本。 相同长度但管道成本较高的原因是管径的不同造成的。 为了尽量减少投资总额和管网的

20、运营成本，热中心应靠近建筑物密集的地方，因而热中心的热负荷密度高。管材选择取决于流体的化学性质、成本温度和流体管道的运输。 在校园进行清洁水的循环时，碳钢管道的使用较复合管更稳定安全。 虽然校园循环管道总长度约 3 倍以上的地热循环，管道成本仅为它的 1.34 倍，这是由于碳钢管的成本低。 另给出投资与营运成本 3 项列于表 8。 虽然管道成本较高于校园循环，当建设和配件以及工资成本计算在内，总投资成本越大。 但地热循环的运作成本为大约占30，这是由于校园循环泵的使用不同。 考虑到以往的研究如在耶尔德勒姆等人著的 1，管网约占28.5的主要投资，管网设计电源供应能源的总投资和 10.2的校园总 HPDHS 的 IZTECH 运营成本。从经济角度来看直埋管道安装首选本研究，混凝土隧道基础设施可能已经存在或可以首选方便的地方。 在这两种情况下，投资成本变得更具吸引力。节约型校园的比较 HPDHS 和现有 IFBHS 显示，尽管 IFBHS 不考虑投资成本的现有建筑物的锅炉，循环泵和加热设备，HPDHS 是更多的利润吸引人，在 20 年得期限内，一年就可以收回 4.07的投资。如果建筑物都要符合散热要求， 这是 HPDHS 更具吸引力的的地方。由于地热资源的具体地点不同，每个区域供热系统，包括供暖系统和管道网络的设计应根据精心设计本研究研究的参数研究。