鐵路沿線房屋供暖環保改造中地源熱泵技術研究

溫建平

摘要：作為一種利用可再生能源的空調技術，地源熱泵技術因兼具環保、節能、高效的特點成為鐵路沿線房屋供暖環保改造的首選。文章簡單介紹了地源熱泵技術的基本原理和特點，論述了鐵路沿線房屋供暖環保改造工程，并對地源熱泵技術在工程中的具體應用方案、應用效果進行了進一步探究，希望為鐵路沿線房屋供暖環保改造工程的順利開展提供一些參考。

關鍵詞：鐵路;沿線房屋;供暖環保改造;地源熱泵技術

前言：

20世紀90年代，我國開始發展地源熱泵技術，期間經歷了起步期、推廣期幾個時期，成功突破基礎技術瓶頸，如地源熱泵暖通空調熱堆積現象等，為地源熱泵朝著規模化、區域性、熱源多元化方向發展提供了充足支持，也為鐵路沿線房屋供暖環保改造提供了良好的借鑒。因此，根據鐵路沿線房屋供暖環保改造的特殊需求，研究地源熱泵技術的應用具有非常重要的意義。

一、地源熱泵技術概述

1、原理

地源熱泵技術特指以地表水、巖石體、地下水為低溫熱源，經過水源熱泵機組與建筑內部系統、地熱能交換系統協同作用向外界輸送熱源的空調技術。地源熱泵技術中的熱泵可以通過做功，促使熱量由低溫介質（大氣、地表水、大地或廢棄熱源）向高溫介質流動。冬季可以實現土壤、大氣或地下水中熱量的“提取”，為室內供應熱源[1]。而在夏季，則可以將室內熱量“提取”并釋放到土壤、大氣或地下水中，保證地下溫度常年均衡。

2、特點

地源熱泵技術具有性能穩定、節能高效、可再生能源利用、投資回報率高等特點。其中性能穩定主要表現為地下溫度常年穩定在16℃～22℃之間，摒除室外環境空氣溫度變化干擾，且主機制冷制熱較為穩定;節能高效主要表現為電力能源損耗量一定情況下，提高夏季冷源供應量（或冬季熱源供應量），能效比可以達到3.9～6，即在投入1kW電能時，獲得熱能外圍3.9～6kW，且無地埋管熱交換器除霜能耗;可再生能源利用主要表現為地表土壤、地下水體或地表水體收集了47.0%太陽輻射能量，通過利用地表土壤、地表水體或地下水體，可以二次開發太陽能;投資回報率高表現為較之傳統中央空調系統，地源熱泵系統運行費用可降低25%～50%，且可以免費回收夏季熱量，滿足熱水、供暖、供冷需求，投資增量回收期在2.5年～8年左右[2]。

二、鐵路沿線房屋供暖環保改造工程

某房屋供暖環保改造工程位于鐵路向東列車編組站周邊，隸屬鐵路局建筑、給水與生活段，負責為機車乘務員、客車乘務員接班前或交班后提供休息、餐飲場所，該工程總面積為2562m2，包括45個房間，每個房間內均具有獨立衛生間，獨立衛生間平均每天接待120名乘務員。該工程具有較為良好的地下水賦水條件，包括周邊水域補充水源、天然降雨兩種。區域極端最高氣溫、極端最低氣溫分別為41.5℃、-9.5℃，最熱月平均氣溫為30.6℃，年平均氣溫為18.5℃。

工程以往供暖-制冷選2臺2.5t/h燃煤鍋爐+1臺水冷式制冷機組+1臺分體式空調機。在地源熱泵改造時擬利用1臺地源熱泵機組同時供暖、制冷、供應熱水，取代以往燃煤鍋爐、分體式空調、風冷式制冷機組，在降低運行經濟資費的同時，減弱對環境的壓力。

三、鐵路沿線房屋供暖環保改造中地源熱泵技術的應用方案

1、流程設計

擬改造建筑以往為傳統高能耗、高排放的供暖制冷模式，且在夏季空氣溫度超30.0℃時，制冷效率較低，同時存在粉塵、二氧化硫、二氧化碳、氮化物排放超標問題。加之鐵路沿線發展較快，區域集中供熱管網基礎建設無法滿足工程供暖需求，因此，地源熱泵以淺層地熱能作為冷源與熱源的模式，是適宜擬改造建筑且與國家節能環保政策相符的優良方案[3]。

1）供暖流程

因當前回灌技術不夠成熟，采暖初期及末期回灌操作需局部利用換熱后地熱井。供暖流程如下：

采暖初期及末期需要以吸收式熱泵+地熱的形式，保證熱源供應穩定。但在深冷期，則需利用地熱一次尾水，經熱力站熱泵系統加熱升溫進入采暖供熱管網總供水管，與地熱井一次供水混合后對外供應熱源[4]。在上述模式中，若實測室外溫度超過8℃，選擇地熱井直供熱水;實測室外溫度處于2.0～6.0℃之間時，選擇地熱井直供熱水，并開啟1臺熱泵;實測室外溫度處于-4.0～1.0℃時，選擇地熱井直供熱水，并開啟2臺熱泵;實測室外溫度處于-9.0～-5.0℃或-9.0℃以下時，選擇地熱井直供熱水，并開啟3臺熱泵。制冷流程與制熱流程相反。

2）補水定壓流程

變量調節方式是熱力站熱源井系統一次水主要用方式，質調節方式則是采暖循環水系統二次水主要用方式。在整體控制過程中，依據室外溫度的變化，可以進行熱源井供水量的調控，達到調節采暖循環水供水溫度并限制回水溫度的目的。其中熱遠景系統電動流量調節閥受采暖循環水供水溫度曲線、室外溫度的共同作用，通過將現有閥位、狀態向站內控制系統反饋，可以在高溫地熱水系統與負荷需求存在偏差時，自動啟動燃氣熱泵機組，促使采暖水資源供應系統溫度上升并與地熱供水管混合完成對外人員供應。

此外，考慮到擬改造工程較為老舊，除了采用ADSL寬帶方式建立遠程監測系統對熱力站各相關參數進行主叫采集外，還需要利用水泥砂漿與耐堿網格布、EPS保溫刷獎、石灰水泥砂漿進行建筑外圍護結構改造，配合自遮陽系數達0.86的塑鋼中空玻璃窗、倒置式屋頂保溫本體改造，為地熱利用提供良好的條件。

2、建設施工

1）設備選型

對于熱負荷指標，可分別設定地源熱泵空調系統、建筑總體為80.0W/m2、175.0kW;對于冷負荷指標，可以分別設定地源熱泵空調系統、建筑總體為120.0W/m2、255.0kW。依據冷熱負荷要求，可以選擇COP（供熱量與燃氣熱量比值，燃氣熱量為燃氣熱值與燃氣耗量乘積）達到或超過4.0，且具有液晶漢顯電腦控制器、雙螺旋式壓縮機、自動噴液超溫保護裝置、釬焊板式抗腐蝕換熱器的地源熱泵機組，同時機組輸入功率應可隨負荷量進行8個等級的自動調節、累計運行時間與故障報警內容可自動記錄、進出水溫度與環境溫度可顯示功能。如可選擇ZTRB-0.3MW地源熱泵機組，其總制冷量、總制熱量分別為270kW、286kW，額定輸入功率為50kW/61kW。

2）水源式地源熱泵

在地源熱泵機組冷熱源選擇水源時，可以在工程內進行1口抽水井、1口灌水井的打設[5]。井直徑均為3450mm，深度均為36.0m，保證每小時出水量超過35.0t。同時在井下31.0m位置進行1臺深井泵的設置，深井泵額定功率為5.0kW。

在確定施工方案后，可以將臥式側送風式風管盤管設置在室內末端，在房間進口位置設置送風口與回風口，并進行房間內部的吊頂處理。在室內末端工程結束后，考慮到工程其中一部分應用了太陽能熱水器作為熱水供應源，因此，具體環保改造時僅考慮鍋爐供熱水情況。即在機房內，進行保溫不銹鋼熱水箱設置，熱水箱容量為2.5t，同時在與空調水隔離的情況下，將1組換熱器設置在地源熱泵機組冷凝器端，并經循環泵與各房間衛浴裝置相連接，促使熱泵機組在供應熱量的同時滿足熱水箱熱水供應需求。

3）地熱耦合式地源熱泵

鑒于工程所在地冬季極限最低溫適中、夏季極限最高溫不高，且供熱、制冷時長差距不大，同時當地砂質土壤、含水豐富的特點，可以滿足地熱耦合管道全部浸泡在水體內部要求，達到良好的換熱效果[6]。因此，根據地熱耦合井每延米最低換熱值80.0W/m的標準，結合砂質土孔洞鉆設難度小的特點，可以設定地熱耦合井有效深度為120.0m，此時地熱耦合管有效長度為18800.0m，垂直地熱耦合井數量為42個。根據操作要求，操作者可以選擇工程東側、北側鉆設孔洞，孔洞數量為42個，孔洞直徑為φ150mm，孔洞深度為120mm。同時放入42組雙U型PE管，選擇距離地面1.75m的位置連接為一個整體，連接后送入機房。

在確定施工方案后，出于環保、經濟要求，可以沿用以往室內末端設備，如空調系統室內循環管路、風機盤管[7]。在室內末端設備設置完畢后，可以利用2臺地源熱泵機組，進行一用一備的地熱耦合管循環泵以及空調水循環泵的設置，泵功率均為5.5kW。其中循環水泵為變頻調速方式的臥式離心泵，效率超80.0%。

3、參數調試

根據鐵路沿線房屋供暖環保改造要求，可以設定夏季空調調節計算干球溫度、室內計算溫度分別為35.6℃、25.0℃[8]。同時設定空氣調節室外計算相對濕度、室內計算相對濕度分別為75.0%、74.0%，并調節室外風速為2.7m/s;對于冬季，則設定空調調節計算干球溫度、室內計算溫度分別為-3.0℃、18.0℃，同時設定空氣調節室外計算相對濕度、室內計算相對濕度分別為64.0%、40.0%，并調節室外風速為3.8m/s。

對于熱水加熱，可以設定熱水換熱效率為75.0%，熱水溫度、冷水溫度分別為40.0℃、20.0℃，則加熱時間為15min。

四、鐵路沿線房屋供暖環保改造中地源熱泵技術的應用效益

1、使用效果

鐵路沿線房屋供暖環保改造中地源熱泵技術的使用效果如下：

2、環境效益

以產生1000kcal熱量所需要的能源消耗量為例，計算地源熱泵與燃煤、燃油、燃氣消耗量如下：

由表2所示，燃燒煤、油等石化燃料會產生大量污染物，對生態環境具有較大破壞作用;而燃燒天然氣會產生溫室氣體。但地源熱泵僅消耗電能，無污染物產生，具有較為顯著的生態環境保護優勢。

3、經濟效益

以傳統冷水機組+市政管網供熱模式、中央空調+燃氣鍋爐為對照，鐵路沿線房屋供暖環保改造中地源熱泵技術的經濟效益如下：

傳統冷水機組+市政管網供熱、中央空調+燃氣鍋爐模式中，年運行費用平均為4.3萬元，總投資平均值為74.5萬元。初期投資時，地源熱泵系統與傳統模式相差不大，但運行費用較其低60.47%～67.44%，且使用土-氣型、水-氣型地源熱泵系統供暖、制冷的運行費用，分別較傳統供熱制冷模式降低30%～70%、40%～50%。

總結：

綜上所述，地源熱泵技術兼具性能穩定、節能高效、可再生能源利用、投資回報率高等優良特征，可以滿足鐵路沿線房屋供暖環保改造需求。因此，在鐵路沿線房屋供暖環保改造過程中，可以引入地源熱泵技術，設計地源熱泵空調系統。并從室外鉆孔、熱泵機房設備安裝、機房電氣安裝、空調系統安裝幾個方面，進行施工作業。在施工作業完成后，工程技術人員可以根據鐵路沿線房屋供暖需求，進行參數調試，保證地源熱泵技術在房屋供暖環保改造中優勢的最大化發揮。

參考文獻：

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