地源熱泵技術在鐵路基層站段供暖環保改造中應用

戴剛

山東省煤田地質局第四勘探隊 山東濰坊 261206

陸上熱泵技術利用淺層地熱能進行供暖或制冷，具有節能、清潔和可再生能源等優點，近年來已得到廣泛應用。然而，在實踐中，存在一些問題，例如需要足夠的面積來鋪設埋管，以及鉆井費用高昂，從而在一定程度上限制了其應用。埋地源熱泵系統可根據埋管位置分為鉆桿式埋管和樁式埋管兩種。其中樁是安裝在建筑物混凝土樁上的埋管熱交換器用的絞車管，用于與建筑物結構相結合的目的。在建筑結構中使用的是混凝土樁，而在建筑結構中使用的是混凝土樁式管與傳統的換熱器相比，樁管在建筑物地基中采用較好的混凝土導熱系數，在建筑物地基和地下巖體之間采用較大的換熱面積，從而提高地下換熱器的換熱性能。

1 地源熱泵簡介

地源熱泵系統主要由內回路、地源熱泵機組、地表水換熱器等組成。內回路由一組陸源熱泵連接，其中有一個冷凝器和蒸發器，熱替代表面的表層溫度隨室外溫度變化，而地下一定深度的溫度保持恒定，不受外界干擾當陸源熱泵在夏季運行時，將熱量傳遞到地表水換熱器進行熱交換，地面吸熱溫度升高，儲存起來供冬季使用，由地表水換熱器進行交換，儲存的熱量提供給熱泵機組使用。其目的是利用地下土壤特性將自然資源用于節能目的，這是一種不受環境污染的可再生資源，具有廣泛的范圍和可靠的運作[1]。

2 地源熱泵技術的現狀

地源熱泵技術是一種利用可再生能源的空調技術。因其兼具節能、環保、高效等優勢而被給予厚望，尤其是建筑等熱源需求量較高的領域。在污染相對嚴重、能源使用效率相對較低的北方地區，地源熱泵技術更是作為“建設節約型社會，發展循環經濟”的重要舉措，而被納入能源安全保障的范疇。我國自20世紀90年代發展地源熱泵技術以來，歷經最初的起步和推廣階段，現已突破基礎技術瓶頸。如地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用即已解決了關鍵的熱堆積現象，實現有效技術突破。隨著地緣熱泵技術相關理論、技術與配套產業的逐步完善與國家政策的扶持，地源熱泵正朝區域性、規模化和熱源多元化的方向飛速發展，在包括鐵路界的各行各業都形成了廣泛應用。但如何實現基層化改造，仍是有待深入探究的話題。

3 地源熱泵技術在鐵路基層站段供暖環保改造中的應用

（1）系統設計優化。在分析本項目設計方案時，提出了以下兩點系統設計優化建議：埋地管換熱器設計中應考慮到因取熱不平衡而引起的地面溫度升高或降低埋管換熱系統設計應全年進行動態負荷計算，最小計算周期應為一年。計算周期內，埋管換熱器應滿足最大吸熱或釋放要求，系統總熱量釋放應與其總吸熱量保持平衡。當技術經濟合理時，可采用埋管冷源和換熱器使用的輔助熱源或尖端調節形式[2]。

（2）空調水系統。商業裙房空調水系統采用二管制一次泵變頻變流量系統。夏季空調供回水溫度7／12℃，冬季供回水溫度45／40℃。空調水系豎直立管異程布置，水平同程布置，局部為異程布置，異程部分采用平衡閥等措施保證水系統的水力平衡。空調水系統采用排氣型定壓補水裝置對系統定壓補水。冷卻水采用旁流水處理器進行水質處理。

（3）地源熱泵系統方案配置。一座建筑位于安徽省六安市，利用埋源熱泵系統提供夏冬冷供熱，技術經濟合理時，應利用地熱、風能、太陽能等可再生能源在使用可再生能源不能保證穩定性的情況下，必須確定二級冷卻和熱源。考慮到魯安市的特殊氣候和地質條件，井下熱泵系統是最佳選擇。當夏季的預期冷卻負荷高于冬季的預期加熱負荷時，地面源熱泵組將根據夏季的熱負荷選擇地面源熱泵的類型，并考慮選擇2）循環水泵選型采用以下公式選擇循環水泵流量：g =0.86（Q0+Q1）TG-th，Q0為陸源水泵組的冷卻量；Q1是地面源熱泵機組的熱量消耗；Tg和th是冬季和夏季進出熱泵的水溫。以夏季用戶端冷水循環水泵計算為例，根據簡明的空調設計手冊，選擇符合要求的循環水泵。

（4）空調系統安裝。該改造主要分為風機盤管的安裝與空調水系統的安裝。風機盤管安裝的工藝流程主要為：預檢-施工準備-吊架制作安裝-風機盤管安裝-連接配管-檢驗。空調水系統安裝的工藝流程主要包括：安裝準備-墻體打孔、預制加工、防腐處理-干管安裝-立管安裝-支管安裝管道試壓-防腐保溫-管道沖洗等。

（5）壓差旁通控制。在冷凍水供回水管以及冷卻水分集水器之間分別設置壓差傳感器以及電動調節閥，將壓差傳感器檢測供回水管路之間的壓差數據送入DDC，再由DDC發出控制信號，調節旁通上電動調節閥的開度，保持供回水壓差恒定，保證熱泵機組穩定工作。

（6）系統調試。室外換熱孔、外管線、機房設備及管線等各系統安裝完后，開始系統調試。系統調試分為地源熱泵機房系統調試和室外地埋管道調試。調試后，可以利用電腦進行各類操作，主界面菜單上各個按鈕可引導進入其他控制界面。通過設置各種參數，調試人員確保系統可以實現功能需求，完成對邯鄲客整所供暖設施的有效操作。

4 投資條件

對地方熱泵系統的初步投資將比總計劃更為重要，盡管初期投資較高，但運行壽命可能超過50年。在促進國家節能減排的背景下，陸源熱泵的優勢將隨著時間的推移得到充分發揮，陸源熱泵技術將越來越受到尊重。陸源熱泵技術是l中最適合冷熱的解決方案。

5 結語

熱泵機組比處于制冷或加熱狀態的空氣泵效率更高的主要原因是，通過向地下冷卻/加熱源釋放或吸收熱量，減小了熱泵中冷凝器和蒸發器之間的制冷劑溫差因此，為了提高地面源熱泵運行的能源效率，夏季制冷狀態下地下土壤溫度應盡可能低，冬季供暖狀態下地下土壤溫度應盡可能高，從而實現這一過程在理想模型中，地源熱泵系統是夏季降溫作用下傳入地下的熱量等于冬季供暖作用下從地下吸收的熱量。