公建項目地源熱泵系統(tǒng)實際應(yīng)用研究

摘要：近年來，隨著人們生活水平的日益提高和國家節(jié)能政策的執(zhí)行，綠色節(jié)能建筑已成為當(dāng)今公共建筑建設(shè)追求的主題。由于中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗在大型公共建筑運行的能源消耗中占比較重（約占60%），而在整個中央空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)主機(jī)的能耗占比最大。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)能耗的高低直接影響綠色建筑建設(shè)的成敗。中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)形式很多，目前應(yīng)用較多的主要有：風(fēng)冷熱泵機(jī)組、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、直燃機(jī)機(jī)組（溴化鋰機(jī)組）和水冷冷水機(jī)組（冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)）等。本文以某機(jī)場項目地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，對地源熱泵的地埋區(qū)設(shè)計、管理及建設(shè)的影響因素進(jìn)行了闡述，并根據(jù)地源熱泵供暖實際運行經(jīng)驗，對地源熱泵運行的問題進(jìn)行了分析研究，并對發(fā)現(xiàn)的運行問題提出了解決的思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)場??地源熱泵??平衡??應(yīng)用??研究

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用可再生能源進(jìn)行供能的系統(tǒng)，它利用土壤或地下水體等所儲藏的淺層地?zé)?、深層地?zé)釣槔湓椿驘嵩矗捎脽岜玫男问?，冬天從土壤中取熱，夏季向土壤中放熱，來實現(xiàn)“一機(jī)多用”，成為既可供熱又可制冷的高效空調(diào)系統(tǒng)，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點。地源熱泵是近些年來發(fā)展的較快的一種清潔能源利用形式，在新建建筑的暖通系統(tǒng)上被廣泛應(yīng)用。本文針對北京某機(jī)場地源熱泵的地埋區(qū)系統(tǒng)管理進(jìn)行分析，并對運行中實際存在的問題進(jìn)行探討，指出了下一步的研究方向。

地源熱泵系統(tǒng)的核心運行機(jī)理為冬取夏灌，通過維持全年土壤側(cè)能量平衡實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此，對于土壤源熱泵而言，土壤側(cè)能否維持能量平衡直接關(guān)乎實際工程應(yīng)用的可持續(xù)性[1]。對于敷設(shè)了成千上萬根地埋管的大型地源熱泵供能系統(tǒng)而言，地埋管所構(gòu)成管群系統(tǒng)的水力耦合特性及管間交互效應(yīng)將極大地影響系統(tǒng)的使用性能[2]。

該項目機(jī)場地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)具有10?680個地埋孔，地源熱泵綜合系統(tǒng)供熱面積達(dá)248萬m，其規(guī)模達(dá)到全球淺層地?zé)崂玫那傲?。大?guī)模的地源熱泵技術(shù)目前存在地埋側(cè)管理的難點在于如何保證冬夏季地埋側(cè)溫度平衡，確保地源熱泵技術(shù)的可持續(xù)使用。

1 地源熱泵的概述

在空調(diào)系統(tǒng)中地源熱泵系統(tǒng)是一種新型的能源利用熱泵系統(tǒng)，主要是通過利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供熱制冷，冬季將地下熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，夏季把室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到地下。

地源熱泵系統(tǒng)作為一種有效安全的低位能源，十分適合作為大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的能源來源。它不僅可以高效提供空調(diào)所需的冷凍水和供暖熱水，而且可以在夏季制冷時免費提供生活熱水。地源熱泵系統(tǒng)無排放污染，不消耗燃煤、柴、汽油或天然氣等不可再生資源。對比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備少，維護(hù)成本低。地源熱泵系統(tǒng)初投資較高，但能充分利用地下低位恒溫?zé)嵩矗到y(tǒng)效率高、節(jié)能環(huán)保，屬典型的可再生能源利用技術(shù)，符合國家節(jié)能減排的方針和綠色建筑發(fā)展戰(zhàn)略，具有非常好的運行經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2 地埋區(qū)管理

2.1地埋區(qū)工程概況

項目地理位置在永定河沖積平原，機(jī)場地源熱泵工程地埋區(qū)處于永定河沖洪積扇的下游地區(qū)，地層結(jié)構(gòu)位于多層砂區(qū)，它的地層巖性主要為粘性土層和砂層互層，粘性土層數(shù)多且穩(wěn)定，累積厚度較大;含水層性質(zhì)為承壓水，含水層滲透性與富水性一般，并且此區(qū)域地下水回灌難度大。機(jī)場區(qū)域的地下水補給主要來自降水入滲和側(cè)向徑流入滲，流出方式主要是人工開采和地下徑流。機(jī)場區(qū)域的地埋區(qū)徑流條件比較好，淺層地?zé)崂眯Ч?，能夠增強與土壤的換熱效果，適宜建立地源熱泵的供能系統(tǒng)。機(jī)場附近區(qū)域的水文地質(zhì)情況見圖1。

根據(jù)行業(yè)專家出具的地質(zhì)條件評估報告，機(jī)場的地源熱泵系統(tǒng)地埋區(qū)換熱孔冬、夏季每延米換熱量取值分別為30.88W/m和54.35W/m。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，冬季地埋管供回水溫度分別為7℃和4.5℃，夏季地埋管供回水溫度分別為30℃和34℃。

機(jī)場地源熱泵系統(tǒng)的地埋管分為南側(cè)和北側(cè)，分別為1號地源熱泵站和2號地源熱泵站提供淺層地?zé)釤崃?，為各場站的熱泵機(jī)組提供熱量。地埋管位于機(jī)場興旺湖公園內(nèi)，按5m間距進(jìn)行排布，南側(cè)布孔數(shù)量3120個，北側(cè)布孔數(shù)量7560個，共計達(dá)10?680個。布孔密度達(dá)47%，面積36.7萬m。布孔深度上，北側(cè)打孔深度達(dá)140m，南側(cè)深度為120m。通過以上地埋側(cè)布孔情況，北側(cè)地埋區(qū)（2號地源熱泵站）冬季供熱能力為40.2MW，夏季供冷能力為36.6MW;南側(cè)地埋區(qū)（1號地源熱泵站）冬季供熱能力為14.2MW，夏季供冷能力為12.2MW。

為更好地實時了解地埋管系統(tǒng)的運行情況，以及地埋管換冷換熱對土壤層的影響，本項目對地埋管系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控，如對土壤源側(cè)的總流量、溫度、壓力，以及每個分集水器的溫度、流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測。實時了解土壤層的變化，根據(jù)變化調(diào)整運行模式，并對系統(tǒng)是否正常運行進(jìn)行判斷，如根據(jù)總流量計和各分集水器流量的對比判斷是否發(fā)生泄漏。

2.2地埋區(qū)換區(qū)管理

以2能源號站的地埋區(qū)進(jìn)行舉例說明。2號能源站的每個地埋孔深約140m，將30個地埋孔連接成為一個最小單元的供回小回路，6個回路設(shè)置一個分集水器，12個回路組成一個地塊，共設(shè)置21個地塊。2號能源站的地埋區(qū)地塊劃分情況見圖2。每個地塊設(shè)置分集水器，每個分集水器總管上設(shè)置電動閥門，可將此地塊匯入供回水的總管進(jìn)行供熱、供冷。機(jī)場地埋區(qū)設(shè)計中可以對地埋區(qū)的總流量、溫度、壓力，每個分集水器的溫度、流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測，并可實時掌握地埋側(cè)變化，通過各項參數(shù)判斷地埋系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)總流量和各分集水器流量的對比判斷是否發(fā)生泄漏。正常運行時，通過末端負(fù)荷變化調(diào)整地源側(cè)循環(huán)水泵流量，地埋孔通過量調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

實際運行中觀察，在更換地塊后，前期地埋側(cè)供水溫度較高，但會以較快的速度下降，在下降到一定溫度以下后下降趨勢會變緩，開始緩慢下降，然后能夠基本保持一段時間的供水穩(wěn)定。

2.3地埋區(qū)建設(shè)影響因素

地源熱泵項目地埋區(qū)工程復(fù)雜，若施工過程把控不嚴(yán)，極易在后期出現(xiàn)問題。地埋區(qū)工程的地埋孔深度、直徑、垂直度、地埋孔回填材料、回填速度、水平聯(lián)管敷設(shè)等均有嚴(yán)格的要求，在施工中應(yīng)保證施工質(zhì)量，避免因施工不合格導(dǎo)致的地下管道泄漏、換熱效率不足、影響地下水環(huán)境等現(xiàn)象。并且地埋區(qū)的建設(shè)有一次性建設(shè)，后期基本無法進(jìn)行修護(hù)、完善，出現(xiàn)問題很難得到解決，所以必須在建設(shè)期間加大監(jiān)管力度，保證按要求進(jìn)行施工。

3 運行問題分析

3.1極寒天氣下地源熱泵的使用

在設(shè)計理念中，天氣較冷時，用戶負(fù)荷較大，應(yīng)多開地源熱泵進(jìn)行供熱，但在實際運行中發(fā)現(xiàn)并不滿足條件。其中一個原因為機(jī)場熱泵機(jī)組設(shè)計的最高供水溫度為50℃，當(dāng)回水溫度升高時，熱泵機(jī)組負(fù)荷會降低;若回水溫度過高，熱泵機(jī)組會自動停機(jī)。在極寒天氣下，為保障用戶服務(wù)品質(zhì)，會提高供水溫度，但提高供水溫度勢必會使回水溫度有一定的升高，回水溫度過高會導(dǎo)致機(jī)組自動停機(jī)。另一項原因為，在嚴(yán)寒期間地埋區(qū)的供水溫度會下降較快，無法滿足多臺機(jī)組的連續(xù)運行。

下面以2021年初的北京極端嚴(yán)寒天氣為例進(jìn)行說明。2021年1月6日，北京市迎

來了一股最強冷空氣，室外溫度大幅度下降，寒潮期間最高溫度-10℃，最低溫度達(dá)到-21℃，同時最大可達(dá)9級的陣風(fēng)，風(fēng)寒效應(yīng)十分明顯。此次寒潮，北京市啟動了大風(fēng)黃色預(yù)警、持續(xù)低溫黃色預(yù)警，啟動了重大氣象災(zāi)害低溫Ⅳ級響應(yīng)程序，北京市的最低氣溫更是刷新了21世紀(jì)以來同期的最低紀(jì)錄。在此極端嚴(yán)寒天氣下，根據(jù)預(yù)報天氣情況，對用戶負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)估，經(jīng)過計算得出，熱泵站最高負(fù)荷可達(dá)40MW。根據(jù)預(yù)測最大負(fù)荷，熱泵站應(yīng)啟用4臺地源熱泵進(jìn)行供熱，并以其他熱源來進(jìn)行輔助供熱。在嚴(yán)寒到來之后，按照預(yù)定計劃開啟了4臺熱泵，但是在極寒天氣下，地埋區(qū)的供水溫度進(jìn)行急速降低，地埋區(qū)的供水完全無法承擔(dān)多臺地源熱泵的高負(fù)荷使用。為避免因地埋區(qū)供水溫度太低無法開啟地源熱泵，只能停掉一半的地源熱泵機(jī)組來減緩地埋區(qū)溫度的降低。

對此次嚴(yán)寒期的實際運行進(jìn)行總結(jié)，單獨的地源熱泵供熱安全裕度較低，在以熱泵為基礎(chǔ)熱源再輔以其他熱源的條件下，才能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并且能夠降低地源熱泵的裝機(jī)容量和設(shè)計投資費用。

3.2地埋區(qū)冬夏熱量不平衡

地埋區(qū)的理想狀態(tài)為冬季取熱量與夏季放熱量匹配，可以長期運行后不引起地埋區(qū)土壤溫度的變化。根據(jù)GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，地源熱泵的地埋區(qū)換熱系統(tǒng)最好每年都進(jìn)行負(fù)荷計算，對冬季取熱量、夏季放熱量進(jìn)行統(tǒng)計，每年對地埋區(qū)的取熱量與放熱量應(yīng)平衡。但是由于氣象條件及使用冬夏功能不同，一般會出現(xiàn)地埋區(qū)的取、放熱量不平衡，從而導(dǎo)致地埋區(qū)的土壤溫度連年下降或者上升，造成地源熱泵的性能下降，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)無法正常運行，這個問題已經(jīng)成為使用地源熱泵系統(tǒng)需要面對的最大問題。機(jī)場地源熱泵站實際供暖面積遠(yuǎn)大于供冷面積，造成了嚴(yán)重的地埋區(qū)冬夏熱量不匹配。近1年內(nèi)，冬季取熱量約是夏季放熱量的1.5倍，2020—2021年供暖季地埋區(qū)土壤溫度較2019—2020年供暖季降低了1.7℃。長此以往，會慢慢造成嚴(yán)重的地?zé)崾Ш?，最終導(dǎo)致冬季地源熱泵無法運行。

針對這一問題，經(jīng)過探索，尋找出2套解決措施。一是在冬季減少地源熱泵的使用，根據(jù)夏季放熱量作為限額來制約冬季取熱量，以其他供熱方式來補充供熱，滿足用戶需求。二是嘗試將鍋爐煙氣廢熱排入地埋區(qū)來補充地埋區(qū)熱量。機(jī)場建有5臺鍋爐，鍋爐煙氣直接排放溫度約有70℃，采用煙氣熱泵深度回收煙氣余熱后排煙溫度可降至30℃。在實際運行中，絕大多數(shù)時間鍋爐可提供的煙氣廢熱大于煙氣熱泵所需，部分鍋爐煙氣直接排放，此部分廢熱未得到有效利用?，F(xiàn)每臺鍋爐均配備噴淋塔，具備深層次回收煙氣余熱的條件，將鍋爐煙氣廢熱排入地埋區(qū)一方面能夠降低排煙溫度，減少排煙高度和污染物排放，另一方面能夠補充土壤熱量，便于地源熱泵的使用。

4結(jié)語

利用地源熱泵作為一種現(xiàn)在常用的供能方式，可大范圍地利用地?zé)徇@種可再生能源，提高區(qū)域范圍內(nèi)的可再生能源利用率，同時在“碳中和”“碳達(dá)峰”的形勢下，通過地源熱泵來替代鍋爐的使用能夠在供給同樣熱量的情況下大大減少碳排放，并且相較于使用鍋爐，地源熱泵不產(chǎn)生排煙及廢棄物，更加綠色環(huán)保。

但是在實際的使用過程中，因冬夏負(fù)荷不同，如何保持土壤的穩(wěn)定性、保持地?zé)岫钠胶猓窃趯嶋H使用中面對的最大問題。同時，地源熱泵的使用最好配有備用的供能方式，以多能互補的方式進(jìn)行供能，來提高供能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全裕度。

參考文獻(xiàn)

[1]李金華.地源熱泵系統(tǒng)助力碳中和——以北京地區(qū)為例[J].節(jié)能與環(huán)保，2021（5）：30-31.

[2]劉權(quán)，趙麗麗.多能互補供冷供熱系統(tǒng)改造項目運行研究——地源熱泵，太陽能及谷電蓄熱系統(tǒng)的互補應(yīng)用[J].建筑與預(yù)算，2020，295（11）：78-81.

[3]王坤，王梓越，張利，等.園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)節(jié)能效果及優(yōu)化運行分析[J].電力需求側(cè)管理，2020，128（6）：23-27，37.

[4] 王炳智，楊星林，張海波.新建醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)的施工工藝及優(yōu)缺點分析[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2018，15（22）：33-34.

[5]劉艷云.太原市某住宅小區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)方案分析[J].山西建筑，2018，39（16）：112-115.

[6]楊凡.中深層地源熱泵系統(tǒng)在區(qū)域集中供熱中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2020，48（6）：102-104.

作者簡介：王涓（1976—），女，本科，中級工程師，研究方向為暖通空調(diào)。