专利名称：一种应用热泵-膜蒸馏的地热供暖-除盐的方法
一种应用热泵-膜蒸馏的地热供暖-除盐的方法
技术领域：
本发明属于地热应用的技术领域，特别涉及一种应用热泵技术和膜蒸馏技术对地 热资源进行综合利用的技术方法。
背景技术：
地热资源是一种重要的清洁可再生能源。我国地热资源十分丰富，其中温度低于 90°C的低温热水资源在全国各地都有比较广泛的分布。近年来，能源紧缺形势日益严峻，清 洁可再生能源的开发利用不仅是国家的重要战略，也成为市场的热点，在我国的发展势头 十分强劲。我国是地热利用的大国，地热利用的总量位居世界第一，但我国地热利用的综合 水平仍有待提高。近年来，将地热技术和热泵技术组合应用的趋势越来越明显。热泵是投入少量优 质能源产出数倍热(冷)量的技术，有节能之王的美誉。热泵技术与地热技术组合应用，主 要是应用热泵对热(冷)能的提升效应，用于地热供热调峰。另外热泵技术在低温水源、地 源或空气源供热(冷)方面的应用也越来越普遍。目前我国低温地热利用中存在的问题主要包括第一，很多地热水的温度在60 90°C，对这部分比较优质的低温地热水，除了供暖利用(包括温室种植、温水养殖等)之外， 缺少更高附加产值的应用。第二，现有的以供暖为主的直接利用方式，排放的尾水温度高， 致使热能利用率不高。第三，地热开采及热泵机组等设施一次性投资大，而地热资源的应用 有着强烈的季节性，在非采暖季节地热开采及热泵设备基本处于闲置状态，客观上造成投 资回收周期过长的缺点，削弱了地热利用尤其是地热-热泵技术应用的优势。第四，我国很 多地区的地热水为高矿化度水(矿化度3g 几十g/L)，高矿化度使地热水开采利用的价值 大打折扣，例如在严重缺水的西北和山东沿海地区地区，虽然地热资源也很丰富，但目前开 采应用的价值不大。基于上述原因，本发明提出在地热直接利用中，应用膜蒸馏产水技术，建立集供 暖、优质饮用水(或纯水)生产于一体的低温地热水综合利用的方法。膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。 当不同温度的水溶液被疏水膜分隔的时候，由于膜的疏水性，两侧的溶液水均不能通过膜 进入另一侧，而气体则可以通过膜孔传质。由于高温侧水蒸汽压高于低温侧的水蒸气压，水 蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水。这种通过蒸馏(蒸发_冷凝)原 理获得的渗出水是一种品质很高的纯水，高于其它一级除盐工艺的出水水质；浓水则留在 高温侧成为渗余水。膜蒸馏过程无须将溶液加热到沸点，只要膜两侧存在温差，该过程就能 够进行，因此又被称为低温膜蒸馏。主要参考文献(1)刘时彬。地热资源及其开发应用和保护。化学工业出版社，2005，北京。(2)赵军，戴传山。地热热泵技术与建筑节能技术。(3)吴庸烈。膜蒸馏技术及其应用进展。膜科学与技术，2003，23 (4) :67。
(4)马润宇。膜蒸馏技术的回顾与展望。天津城市建设学院学报，2003，9 (2) :90。 三
发明内容
本发明所提出的热泵-膜蒸馏的地热供暖-除盐方法的基本原理是将深层地下热 水作为膜蒸馏制水的热水源，将浅层地下水作为冷源、热能储仓和低温热源，通过热泵实现 低品质热能向高品质热能的转变以及低品质冷源向高品质冷源的转变，首先将温度较高的 地热水用于膜蒸馏除盐制水，然后根据系统供暖的需求，综合调度热泵负荷，或用于膜蒸馏 热侧出水热能的循环回收，或用于膜蒸馏冷侧潜热的循环回收，或用于从浅层地下暖水以 及从用户供暖回水等中采热，在满足用户供暖和热水需求的基础上，将系统剩余的产能用 于通过膜蒸馏过程制备纯水。所说的热泵负荷分成高位热泵负荷和地位热泵负荷两部分， 高位热泵负荷的功能是在热侧将中温水转变为高温的水，在冷侧将中温的水转变为低温的 水；低位热泵负荷的功能是在热侧将低温的水转变为中温的水，在冷侧将低温的水转变为 冷水；高温的水用于作为膜蒸馏器热侧的循环进水；中温的水除用于采暖和热水供应外， 还用来制取高温的水；系统内总的水源热泵的功率可以在高位热泵和地位热泵之间进行调 度。系统分常季和冬季两种运行模式，在冬季模式下，用户包括采暖和热水在内的热量需求 大于地热开采所能提供的有效热能负荷，系统需要通过热泵从浅层地下水中取热补充热量 供应；在常季模式下，用户包括采暖和热水在内的热量需求小于地热水开采所供应的有效 热能负荷，系统需要将多余的热量转移到浅层地下水中。在本发明中，地下热水既可以直接给入膜蒸馏器的热侧，也可以通过热交换将热 量传递给膜蒸馏器热侧的进水。为了缓释阻垢等目的，可以对开采的地下热水和浅层地下 水以及系统内循环的水增加水处理的措施。膜蒸馏器的形式也可以是多种多样的，可以是 直接接触膜蒸馏形式，也可以是真空膜蒸馏形式，或者是其它形式的膜蒸馏方式。下面结合附图，进一步阐明实施方法。
图中粗线图形表示技术单元，其编号标注在图形内部。各技术单元及编号如下表。表1.各工艺单元编号说明
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编号 说明编号 说明
1膜蒸馏器6 浅层冷水区
2高位热泵7 浅层暖水区
3低位热泵8 取暖与热水用户
4地热水开釆丼9 纯水收集器
5地热水回注井图中主要设备标注“冷”的一侧为其冷侧，标注“热”的一次而为其热侧。图中细的 实线、虚线和点划线表示各技术单元间的水管连接。其中，细实线表示地热水，虚线表示浅 层地下水，点划线表示纯水；线条上的箭头表示水流方向，水流只能按箭头所指方向流动，不能逆箭头方向流动；线条上带圆圈(内有十字和方块图形)的图案表示水流量调节器，其旁的数字为对应的水流量调节器编号，编号从10 23。本发明中的水量调节器是指可以根 据系统内温度、压力等物理参数对通过流量调节器的水量进行调节的设施。本发明默认地热水与浅层地下水不允许发生水质交换，因此地热水、浅层地下水 和纯水在有关的技术单元内分别使用独立的管道系统，彼此可以发生热量传递，但不能发 生物质传递。但是允许浅层地下水和地热水发生水质混合的实际应用场合，浅层地下水与 地热水可以选择共用管路系统。膜蒸馏器1是指可以执行膜蒸馏作业的工艺单元，包含疏水性膜，热水从膜蒸馏 器的热侧通过，在冷侧通过冷却将过膜的蒸汽转变为纯水并可以单独收集。所说的冷却可 以用水、空气或者其他物质作为冷却的介质。 热泵2和热泵3是指热泵工艺单元，热泵2为工作在高位的热泵负荷，热泵3为工 作在低位的热泵负荷。本发明所说的热泵是指能够通过热泵工作原理将冷侧水的热量向 热侧水转移的设施，在不违背能量守恒的原则下，通过控制两侧水流动途径和流动速度等 方式可以使两侧的出水都能达到指定的温度要求。为了便于叙述，本发明假设热泵的输出 负荷不随工况而变，并且假设热泵自身消耗的能量刚好与整个系统向外界的散热量相互抵 消，计算热泵负荷的方法为热泵的负荷=水的比热CX单侧水的流量X该侧水的进出水 温差。本发明中所说的热泵2和热泵3仅为热泵负荷的配备方式，二者总的负荷等于系统 内总的热泵负荷。尽管在实际应用中，热泵负荷的最小调度值不大可能低于单台机组的最 小负荷，为便于叙述，仍假设可以根据运行需要随意调节总的热泵负荷在热泵2和热泵3的 分配。地热水开采井4是指开采地热水的水井，地热水回注井5是指使用后的地热水回 注的水井，也可以是使用后的地热水排放的地点。浅层冷水区6是水温较低的浅层地下水 开采和回注的区域，供常季模式下浅层地下水开采和在冬季模式下浅层地下水回注。浅层 暖水区是水温较高的浅层地下水开采和回注的区域，供常季模式下浅层地下水回注和冬季 模式下浅层地下水开采。用户8是指冬季采暧建筑物，也可以在常年均有少量热水需求，本发明推荐采用 使用低温地板辐射采暖工艺。本发明默认用于热用户热水供应的水来自浅层地下水系统， 并且认为热水供应为水消耗性的，即热水使用后即从系统内消失。在水质许可的情况下，也 可以将降温的地热水直接供给用户作为热水使用。纯水收集器9指从膜蒸馏器的冷侧收集纯水的设施。膜蒸馏器1的热侧进水端与地热水井4相连，其热侧出水端通过流量调节器10与 热泵2的热侧进水端相连、通过流量调节器11与热泵2的冷侧进水端相连、通过流量调节 器20与用户8的地热水进水端相连。膜蒸馏器1的冷侧进水端通过流量调节器17与热泵 3的冷侧浅层地下水出水端相连，还通过流量调节器15与浅层冷水区6相连；膜蒸馏器1的 冷侧出水端通过流量调节器14与热泵3冷侧的浅层地下水的进水端相连，通过流量调节器 16与浅层暖水区7相连，通过流量调节器23与用户的浅层地下水进水端相连。膜蒸馏器1 的冷侧纯水出水端与纯水收集器9相连。热泵2除前述与膜蒸馏器1的连接外，其热侧进水端还通过流量调节器10与热泵 3的热侧出水端相连，其冷侧进水端通过流量调节器11与热泵3的热侧出水端相连，其冷侧出水端通过流量调节器13与地热水回注井相连、通过流量调节器22和12与热泵3的热侧 进水端相连、通过流量调节器22、21与热泵3的冷侧地热水进水端相连。热泵3除与上述膜蒸馏器1、热泵2的连接外，其热侧进水端与用户8的地热水出 水端相连，其热侧出水端通过流量调节器20与用户8的地热水进水端相连；其冷侧的浅层 地下水进水端通过水量调节器18与浅层暖水区7相连；通过水量调节器12、21与用户地热 水出水端相连，其冷侧的浅层地下水出水端通过流量调节器19与浅层冷水区6相连，其冷 侧的地热水出水端与地热水回注井5相连。
实施例 基本条件与假设(1)进入系统的地热水温度60°C，设计流量S1常年不变，设计地热水回注温度常 季模式下为20°C，冬季模式下为10°C。浅层冷水区出水水温为15°C、回注水温为10°C，浅 层暖水区出水水温为20°C、回注水温为25°，浅层地下水的开采流量可根据系统运行要求 而改变。(2)热泵总负荷W,e、= IOOCS1, ！为水的比热，忽略水的比热随水温的变化。(3)作为一种粗略的估算，设膜蒸馏器所产纯水不从系统带走热量。(4)设用户常年热水需求在水量上远小于浅层地下水开采的量，在热量上远小于 膜蒸馏器冷侧的冷却负荷，因此在计算时忽略这部分的水量和热量。系统采暖负荷Q = QCS1，其中q为采暖负荷系数，取值范围为0-115。常季模式当热用户采暖负荷系数q ( 40时，采用此模式。从浅层冷水区6取水用于冷却， 并将升温的浅层地下水回注至浅层暖水区7。热泵负荷调度方案配置热泵2输出负荷为(60-0. S(I)CS1，配置热泵3的输出负荷 为 G(HCXeq)CSltj各流量调节器调度方案以及纯水产量如表2所示。在此运行模式下，热泵2用于回收膜蒸馏器1的热侧出水中的余热用于膜蒸馏制 水，热泵3用于回收膜蒸馏器1的冷侧的蒸汽潜热。膜蒸馏器1的热侧与热泵2构成高温 循环(40°C -60°C )，热泵3的热侧与热泵2的冷侧构成中温循环(20°C -40°C )，热泵3的 冷侧与膜蒸馏器1的冷侧构成冷却循环(15°C -25°C )。地热水进入高温循环。热泵2的冷 侧出水，一部分用于地热水回注5，一部分循环回热泵3的热侧。热泵3的热侧出水则与膜 蒸馏器1的热侧出水汇集一起，在保证用户采暖需求的基础上，一部分进入热泵2的热侧， 另一部分进入热泵2的冷侧。来自6的浅层冷水进入膜蒸馏器1的冷侧，用于从系统中带 走剩余热量，然后回注至7。表2.常季模式下各流量调节器流量调度方案及纯水产量 冬季模式当采暖负荷系数q > 40时，实行冬季模式。因为从常季模式转至冬季模式时，地热 水回注温度发生了变化，从常季的20°C变为10°C，出现了一个采暖量调节的复杂区间。为 了简化系统调度的复杂程度，不妨设采暖负荷系数从40直接跳至50，中间40-50为盲区，可 以认为这种不连续的变化对用户采暖并不构成影响。热泵负荷调度方案配置热泵2输出负荷为(60-0. S(I)CS1，配置热泵3的输出负荷 为(40+0. (Xeq)CS1,并且当q彡100时都按100计。各流量调节器的流量调度方案和纯水产量见表3。表3.冬季模式下各水量调节器流量控制方案及纯水产量 在冬季模式下，为保障供暖，一部分热泵以浅层温水为热源用于为用户供暖，剩余 的热泵负荷用于与膜蒸馏器协同制水。为了最大限度地利用地热水并减少浅层地下水的取 水量，改从热泵3的冷侧地热水出水中截流一部分用于地热水回注，将地热水回注的温度 进一步降低至10°C。当采暖负荷系数达到100后，用于膜蒸馏器热侧循环的热泵负荷降为 零，膜蒸馏器热侧出水全部用于供暖。系统的峰值供暖能力可以达到115CS1;此时系统的产 水能力为P = O. 035Slo发明效果系统兼具供暖、供热水和制水的性能，地热开采能力与热泵负荷不会因 采暖负荷的变动而闲置。系统极限产水能力p = 0. HS1，极限采暖负荷可至115CS”并且在极限采暖负荷下，仍有0. 035S的纯水产量。系统在保证采暖的前提下，将剩余能力都用于产水，可以消除设备和地热能力闲置的现象。
权利要求
一种应用热泵-膜蒸馏的地热供暖-除盐的方法，其特征是包含地热水开采-回注、膜蒸馏器、浅层地下水开采-回注、热泵，在满足用户采暖和热水需求的基础上，制备纯水；●总的热泵负荷分成高位热泵负荷和低位热泵负荷两部分，高位热泵负荷的功能是在其热侧将中温水转变为高温的水，在其冷侧将中温的水转变为低温的水；低位热泵负荷的功能是在其热侧将低温的水转变为中温的水，在其冷侧将低温的水转变为冷水；高温的水用于作为膜蒸馏器热侧的进水；中温的水除用于采暖和热水供应外，还用来制取高温的水；系统内总的热泵的负荷可以在高位热泵负荷和低位热泵负荷之间进行调度；●系统运行方式分为冬季和常季两种模式；在冬季模式下，用产包括采暖和热水在内的热量需求大于地热开采所能提供的有效热能负荷，系统需要通过热泵从浅层地下水中取热补充热量供应；在常季模式下，用户包括采暖和热水在内的热量需求小于地热水开采所供应的有效热能负荷，系统需要将多余的热量转移到浅层地下水中。
2.如权利要求1所说的应用热泵_膜蒸馏的地热 供暖_除盐的方法，其特征是对开 采的地热水和浅层地下水实施包括缓蚀阻垢在内的水处理。
3.如权利要求1所说的应用热泵_膜蒸馏的地热供暖_除盐的方法，其特征是所开 采的地热水通过热交换为系统间接供热。
全文摘要
本发明提出一种应用热泵、膜蒸馏、地热水开采、浅层地下水开采与储热等技术对综合利用地热资源，在保障供暖的基础上，将富余的生产能力用于制备纯水，从而消除地热利用设备长时间闲置以及利用效率和附加产值不高的问题。系统运行分冬季和常季两种模式，分别开采浅层地热资源和地冷资源。热泵负荷可以根据供暖的需求，在高位负荷与地位负荷之间调度，以实现膜蒸馏产水的最大化。
文档编号C02F1/08GK101865489SQ20091008234
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者范彬 申请人:中国科学院生态环境研究中心