青島西站空氣源熱泵與地源熱泵聯(lián)合運行策略

張宗旺 王愛斌 梅桂金 馮業(yè)斐

摘要 為了實現(xiàn)青島西站的科技交通與科學管理，在設計運行中使用了空氣源熱泵與地源熱泵的聯(lián)合運行，充分利用自然資源優(yōu)勢，達到了低碳、節(jié)能和環(huán)保的效果。實踐證實能源的互補有利于科技的進步和資源的可持續(xù)發(fā)展。文章以青島西站為例，將空氣源熱泵與地源熱泵聯(lián)合運行進行分析，以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的能源節(jié)約型社會。

關鍵詞 青島西站；地熱源泵；空氣熱源泵；設計

中圖分類號 TU83文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0051-03

0 引言

低碳、節(jié)能、環(huán)保既是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展的主題，也是我國經(jīng)濟長期可持續(xù)發(fā)展的模式。水環(huán)熱泵作為一種節(jié)能裝置，在工程中應用價值也越來越高。已有學者對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在京津地區(qū)單體建筑中的節(jié)能性進行了分析研究，結(jié)果表明：水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在沒有明顯內(nèi)外區(qū)劃分的單體建筑中也具有節(jié)能性。青島西能源站重點圍繞站房供能需求，配強冷熱源設備，完善提升供冷供暖效果，全面推進空氣源熱泵與地源熱泵聯(lián)合運行工作，現(xiàn)對有關技術要點加以總結(jié)。

1 總體概況

青島西站位于山東省青島市，總建筑面積59 416.85 m2，分為東西子站房和中央站房，總冷負荷8 213 kW，總熱負荷7 635 kW。有空氣源熱泵6 300 kW，地源熱泵650 kW，另有600 kW的電鍋爐。

1.1 系統(tǒng)總體運行

冬季主要依靠空氣源熱泵系統(tǒng)進行供暖，以地源熱泵系統(tǒng)為輔；夏季實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)運行的最大化，既能達到供冷要求，又能增加巖土體的蓄熱量[1]。

1.2 空氣源熱泵機組結(jié)霜嚴重

空氣源熱泵的性能會隨室外溫度變化而變化。當室外溫度較低時，機組效率下降，甚至無法工作；當室外溫度較低且相對濕度較大時，室外換熱器表面易結(jié)霜。后續(xù)能源站建設工程建議在布置空氣源熱泵機組時，充分考慮周圍環(huán)境對機組進風與排風的影響，確保進風通暢，排風不受阻礙，并應防止進排風氣流產(chǎn)生短路。

1.3 地下土壤冷熱負荷不平衡

（1）增大蓄熱體體積。增大地埋管間距或深度，擴大地埋管換熱體積，可以更大程度地從巖土體中取熱。

（2）增大蓄熱體體形系數(shù)。增大地埋管與周圍巖土體接觸面積，與更多的周圍巖土換熱，利于恢復。

2 空調(diào)系統(tǒng)設計方案

2.1 項目概況

項目名稱：青島西站地源熱泵系統(tǒng)項目；

建設地點：山東省青島市黃島區(qū)海西三路；

建設內(nèi)容：室外地埋管系統(tǒng)建設和地源熱泵系統(tǒng)機房建設。

2.2 設計依據(jù)

《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（GB50736—2012）；《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（GB 50366—2009）；《建筑給水排水設計規(guī)范》（GB 50015—2003）；《埋地聚乙烯給水管道工程技術規(guī)程》（CJJ101—2004）；《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189—2005）；《通風與空調(diào)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50234—2016）；《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50242—2002）；《全國民用建筑工程設計技術措施—暖通空調(diào)動力》2009 年版；《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》（CJJ34—2010）；《山東省公共建筑節(jié)能設計標準》（DBJ14—036—2006）2006年版；《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》（GB50981—2014）甲方提供的相關資料。

2.3 設計原則

項目按照以下原則進行系統(tǒng)方案設計[2]：

（1）嚴格貫徹執(zhí)行國家與行業(yè)的法律、法規(guī)、政策和標準，選擇優(yōu)良的技術方案，確定合理的工程造價。

（2）設計時充分考慮主要生產(chǎn)設備的高效性、先進性、成熟性和穩(wěn)定性。

（3）技術先進性原則，采用先進的設備和行業(yè)內(nèi)先進的技術與管理手段。

（4）環(huán)保原則，項目建設過程中認真執(zhí)行環(huán)境保護政策。

2.4 方案設計思路

根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研，該項目計劃采用地源熱泵系統(tǒng)，利用現(xiàn)有場地進行布孔和地源熱泵機房的建設，初步考慮室外打孔數(shù)量為100口，鉆孔深度120 m/孔，占地面積約1 200 m2，鉆孔位置和數(shù)量具體根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)條件和布孔面積相應地進行調(diào)整，確保后期能夠與之前的系統(tǒng)充分復合，提高系統(tǒng)整體的運行效率，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.5 地埋管系統(tǒng)設計

2.5.1 室外換熱系統(tǒng)設計

（1）換熱管材及技術參數(shù)。地下?lián)Q熱系統(tǒng)采用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），具有接口穩(wěn)定可靠、抗應力開裂性好、耐化學腐蝕性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用壽命長（壽命可達70年）等特點。

（2）地埋管延米換熱量分析。經(jīng)調(diào)研在淺層地熱能開發(fā)利用范圍內(nèi)，該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)以土壤及砂巖為主。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，采用雙U型埋管設計經(jīng)濟技術性較高，因此該項目設計雙U32型豎直埋管，鉆孔孔徑150 mm，地埋管管材采用PE100高密度聚乙烯管材[3]。

經(jīng)查詢相關地質(zhì)資料，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，可大致估算出：該項目采用雙U型埋管時，夏季延米換熱量約為53 W/m，冬季延米換熱量約為42 W/m。

2.5.2 室外換熱井布置

該工程鉆孔的幾何分布形式設置矩陣型排列，鉆孔間距取4.00 m×4.00 m（豎向間距×橫向間距）。

2.6 地源熱泵機房設計

依據(jù)室外鉆孔深度及延米換熱量分析計算，該項目地源熱泵系統(tǒng)可提供冷負荷約為530 kW，熱負荷約為672 kW。根據(jù)冷熱負荷量，該項目擬配置1臺額定制冷量為594.2 kW、額定制熱量636 kW的螺桿式地源熱泵機組，相關機組技術參數(shù)如下：螺桿式地源熱泵機組參數(shù)見表1，熱泵機房主要設備表見表2，機房占地面積約為8.4×7.3=62 m2。

2.7 控制系統(tǒng)

考慮需要與原有的能源系統(tǒng)進行復合，在復合處的冷凍水供回水總管、冷卻水供回水總管分別設置相應的溫度傳感、壓力傳感和流量傳感裝置，實時監(jiān)控各項數(shù)據(jù)的變化，隨時作出相應的調(diào)整，確保地源熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及復合后系統(tǒng)運行的整體穩(wěn)定性[4]。該工程設置能源站智能云控管理平臺，對地源熱泵機房進行云端控制、集中監(jiān)視和統(tǒng)一管理。

（1）設備運行監(jiān)控的功能。對設備進行遠程監(jiān)控，通過網(wǎng)絡技術和通信技術，將分散在不同地點的設備數(shù)據(jù)接入到運維管理系統(tǒng)中來，對設備情況、控制系統(tǒng)、采集設備、通信網(wǎng)絡進行檢查和校驗，及時準確地判斷設備的運行情況，實現(xiàn)對設備的搜索、查閱、定位功能和遠程控制、故障診斷、信息反饋功能。

（2）設備管理功能。對所接入綜合能源站智能云控管理平臺的設備進行信息管控。如供應商、使用期限、聯(lián)系電話、維護情況、所在位置等信息進行存儲分析；可以對設備生命周期進行管理，比如對壽命即將到期的設備及時預警和更換配件，防止事故發(fā)生；通過在管理系統(tǒng)對設備準確定位，方便后續(xù)管理[5]。

（3）遠程運行分析。通過圖形化界面，顯示遠程設備實時數(shù)據(jù)和運行趨勢；自動監(jiān)測異常發(fā)展趨勢，實現(xiàn)在線分析系統(tǒng)的運行狀態(tài)和預警，提供預防性報警、及時故障通知等服務。查詢設備運行的歷史趨勢曲線，進行設備性能分析。

（4）故障遠程預警診斷。系統(tǒng)管理員根據(jù)設備運行有關的數(shù)據(jù)、報警、事件等信息，結(jié)合設備特性和專家經(jīng)驗，可對其進行遠程診斷和故障預警，指導用戶按規(guī)定及時對設備進行維護保養(yǎng)、故障處理等。通過對設備的遠程監(jiān)控，運維管理系統(tǒng)收集了大量的數(shù)據(jù)，掌握了設備技術狀況的變化和損耗情況，結(jié)合設備模型和專家經(jīng)驗進行分析，準確實現(xiàn)遠程診斷和預警功能。

（5）遠程故障處理。由于綜合能源站智能云控管理平臺存儲了大量的運行數(shù)據(jù)和設備資料，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，回放設備歷史運行狀況，對設備故障進行復現(xiàn)加以分析診斷，實現(xiàn)遠程故障處理。

（6）海量歷史數(shù)據(jù)存儲服務。采用大規(guī)模、高保真的數(shù)據(jù)壓縮技術，將大量設備運行的關鍵參數(shù)快速及時地傳輸并存儲到遠程中心數(shù)據(jù)倉庫進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)設備運行周期內(nèi)運行數(shù)據(jù)大規(guī)模存儲和在線。

（7）設備臺賬和運行檔案。建立設備臺賬檔案管理，定義設備編碼和故障編碼，以及設備靜態(tài)信息、變動信息、設備履歷及工藝卡片等，及時管理設備。

結(jié)合數(shù)據(jù)采集終端、歷史數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)測診斷中心，全天候?qū)崟r監(jiān)測遠程的大型設備狀態(tài)、運行參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)，并加以診斷分析，形成運行檔案加以存儲，解決信息孤島，方便、有效地廣泛運用數(shù)據(jù)，促進大型設備的管理工作。

（8）對賬式服務。實時采集設備的運行數(shù)據(jù)和能效數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進行分析，形成完善的運行日報、月報、季報和年報。通過多種途徑，給用戶進行反饋，讓用戶和設備管理方及時了解運行狀態(tài)、設備狀態(tài)和能效狀態(tài)，保證報告產(chǎn)生的及時性、準確性和可靠性。

（9）系統(tǒng)具有的其他功能。系統(tǒng)具有干預模式：強干預、標準干預和弱干預，用戶可根據(jù)項目自行選擇干預模式。一鍵啟停功能：方便用戶對設置好的設備一鍵式啟動與關閉，使用更便捷。

差別控制功能：根據(jù)負荷變化特點的差別和冬夏季調(diào)節(jié)性能的不同采用不同的智能模糊調(diào)節(jié)模式[5]。

用戶管理功能：對不同用戶具有不同操作權限，權限保護密碼可自行設定。用戶權限分負責人、用戶、操作員三個權限。負責人權限能夠設置系統(tǒng)的所有參數(shù)起停設備控制。用戶權限能夠設置系統(tǒng)運行部分參數(shù)起停設備控制。操作員權限只能起停設備控制不能改變系統(tǒng)參數(shù)。

定時操作功能：根據(jù)現(xiàn)場需要可實現(xiàn)每天不少于兩次定時自動開關機，達到無人值守要求。

自動記憶功能：運行過程中電源掉電后自動記憶當前運行參數(shù)，恢復供電后自動追蹤斷電前的工作狀態(tài)。

防誤操作功能：對錯誤的設定和操作不識別，防止誤操作，造成空調(diào)機損壞。

擴展功能：可與系統(tǒng)樓宇控制提供通信接口，實現(xiàn)樓宇集中控制。

數(shù)據(jù)處理功能：采集系統(tǒng)各項參數(shù)，通過智能控制器計算后參與系統(tǒng)設備的控制。

3 運行費用分析

按照夏季年運行90 d，每天24 h，冬季年運行120 d，每天24 h，電價按照0.7元/kWh計算。地源熱泵運行費用分析見表3。

4 合理使用地源熱泵系統(tǒng)

（1）不可冬季使用夏季不用，也不可夏季使用冬季不用。

（2）夏熱冬用，提高全年熱利用率。

（3）夏蓄冬取，解決地下熱量不平衡問題。

5 地埋管地源熱泵復合系統(tǒng)補熱

（1）多能互補熱泵系統(tǒng)。當建筑物冷負荷大于熱負荷時，可增設冷卻塔排熱。當建筑物熱負荷大于冷負荷時，可增設燃氣鍋爐供暖。

（2）地源熱泵太陽能系統(tǒng)。熱泵機組+地埋管+太陽能。

（3）有冷凝熱回收的熱泵系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)+地埋管+熱回收。

（4）與其他冷熱源聯(lián)合運行的地源熱泵系統(tǒng)。熱泵機組+地埋管、空氣源熱泵。

6 結(jié)語

綜上所述，熱泵的種類繁多，各個系統(tǒng)均有利弊，設計應用時應結(jié)合當?shù)貧夂?、地質(zhì)、建筑物等實際情況多方面考慮，科學選用。隨著國家對可再生能源應用以及建筑節(jié)能的不斷重視，青島政府將高度重視熱泵這項技術。隨著技術不斷完善，水平不斷提高，熱泵的使用將保持快速增長趨勢，總量持續(xù)增長，熱源類型不斷增加，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，市場價格逐漸降低，將會為節(jié)能減排事業(yè)作出更大貢獻。

參考文獻

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