公建項目地源熱泵系統實際應用研究

摘要：近年來，隨著人們生活水平的日益提高和國家節能政策的執行，綠色節能建筑已成為當今公共建筑建設追求的主題。由于中央空調系統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%），而在整個中央空調系統中空調主機的能耗占比最大。因此，中央空調系統主機能耗的高低直接影響綠色建筑建設的成敗。中央空調系統主機形式很多，目前應用較多的主要有：風冷熱泵機組、多聯機系統、直燃機機組（溴化鋰機組）和水冷冷水機組（冰蓄冷系統、地源熱泵系統）等。本文以某機場項目地源熱泵系統為研究對象，對地源熱泵的地埋區設計、管理及建設的影響因素進行了闡述，并根據地源熱泵供暖實際運行經驗，對地源熱泵運行的問題進行了分析研究，并對發現的運行問題提出了解決的思路。

關鍵詞：機場??地源熱泵??平衡??應用??研究

地源熱泵系統是一種利用可再生能源進行供能的系統，它利用土壤或地下水體等所儲藏的淺層地熱、深層地熱為冷源或熱源，采用熱泵的形式，冬天從土壤中取熱，夏季向土壤中放熱，來實現“一機多用”，成為既可供熱又可制冷的高效空調系統，具有低碳、環保、節能等優點。地源熱泵是近些年來發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上被廣泛應用。本文針對北京某機場地源熱泵的地埋區系統管理進行分析，并對運行中實際存在的問題進行探討，指出了下一步的研究方向。

地源熱泵系統的核心運行機理為冬取夏灌，通過維持全年土壤側能量平衡實現系統穩定運行。因此，對于土壤源熱泵而言，土壤側能否維持能量平衡直接關乎實際工程應用的可持續性[1]。對于敷設了成千上萬根地埋管的大型地源熱泵供能系統而言，地埋管所構成管群系統的水力耦合特性及管間交互效應將極大地影響系統的使用性能[2]。

該項目機場地源熱泵系統地埋側具有10?680個地埋孔，地源熱泵綜合系統供熱面積達248萬m，其規模達到全球淺層地熱利用的前列。大規模的地源熱泵技術目前存在地埋側管理的難點在于如何保證冬夏季地埋側溫度平衡，確保地源熱泵技術的可持續使用。

1 地源熱泵的概述

在空調系統中地源熱泵系統是一種新型的能源利用熱泵系統，主要是通過利用淺層地熱能進行供熱制冷，冬季將地下熱量轉移到室內，夏季把室內熱量轉移到地下。

地源熱泵系統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系統的能源來源。它不僅可以高效提供空調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。對比常規中央空調系統，地源熱泵系統機電設備少，維護成本低。地源熱泵系統初投資較高，但能充分利用地下低位恒溫熱源，系統效率高、節能環保，屬典型的可再生能源利用技術，符合國家節能減排的方針和綠色建筑發展戰略，具有非常好的運行經濟效益和環境效益。

2 地埋區管理

2.1地埋區工程概況

項目地理位置在永定河沖積平原，機場地源熱泵工程地埋區處于永定河沖洪積扇的下游地區，地層結構位于多層砂區，它的地層巖性主要為粘性土層和砂層互層，粘性土層數多且穩定，累積厚度較大;含水層性質為承壓水，含水層滲透性與富水性一般，并且此區域地下水回灌難度大。機場區域的地下水補給主要來自降水入滲和側向徑流入滲，流出方式主要是人工開采和地下徑流。機場區域的地埋區徑流條件比較好，淺層地熱利用效果好，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。機場附近區域的水文地質情況見圖1。

根據行業專家出具的地質條件評估報告，機場的地源熱泵系統地埋區換熱孔冬、夏季每延米換熱量取值分別為30.88W/m和54.35W/m。當系統達到穩定狀態時，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℃。

機場地源熱泵系統的地埋管分為南側和北側，分別為1號地源熱泵站和2號地源熱泵站提供淺層地熱熱量，為各場站的熱泵機組提供熱量。地埋管位于機場興旺湖公園內，按5m間距進行排布，南側布孔數量3120個，北側布孔數量7560個，共計達10?680個。布孔密度達47%，面積36.7萬m。布孔深度上，北側打孔深度達140m，南側深度為120m。通過以上地埋側布孔情況，北側地埋區（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;南側地埋區（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的主要參數進行了監控，如對土壤源側的總流量、溫度、壓力，以及每個分集水器的溫度、流量、壓力進行監測。實時了解土壤層的變化，根據變化調整運行模式，并對系統是否正常運行進行判斷，如根據總流量計和各分集水器流量的對比判斷是否發生泄漏。

2.2地埋區換區管理

以2能源號站的地埋區進行舉例說明。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個回路設置一個分集水器，12個回路組成一個地塊，共設置21個地塊。2號能源站的地埋區地塊劃分情況見圖2。每個地塊設置分集水器，每個分集水器總管上設置電動閥門，可將此地塊匯入供回水的總管進行供熱、供冷。機場地埋區設計中可以對地埋區的總流量、溫度、壓力，每個分集水器的溫度、流量、壓力進行監測，并可實時掌握地埋側變化，通過各項參數判斷地埋系統運行狀態，根據總流量和各分集水器流量的對比判斷是否發生泄漏。正常運行時，通過末端負荷變化調整地源側循環水泵流量，地埋孔通過量調節的方式進行負荷調節。

實際運行中觀察，在更換地塊后，前期地埋側供水溫度較高，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定。

2.3地埋區建設影響因素

地源熱泵項目地埋區工程復雜，若施工過程把控不嚴，極易在后期出現問題。地埋區工程的地埋孔深度、直徑、垂直度、地埋孔回填材料、回填速度、水平聯管敷設等均有嚴格的要求，在施工中應保證施工質量，避免因施工不合格導致的地下管道泄漏、換熱效率不足、影響地下水環境等現象。并且地埋區的建設有一次性建設，后期基本無法進行修護、完善，出現問題很難得到解決，所以必須在建設期間加大監管力度，保證按要求進行施工。

3 運行問題分析

3.1極寒天氣下地源熱泵的使用

在設計理念中，天氣較冷時，用戶負荷較大，應多開地源熱泵進行供熱，但在實際運行中發現并不滿足條件。其中一個原因為機場熱泵機組設計的最高供水溫度為50℃，當回水溫度升高時，熱泵機組負荷會降低;若回水溫度過高，熱泵機組會自動停機。在極寒天氣下，為保障用戶服務品質，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，回水溫度過高會導致機組自動停機。另一項原因為，在嚴寒期間地埋區的供水溫度會下降較快，無法滿足多臺機組的連續運行。

下面以2021年初的北京極端嚴寒天氣為例進行說明。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℃，最低溫度達到-21℃，同時最大可達9級的陣風，風寒效應十分明顯。此次寒潮，北京市啟動了大風黃色預警、持續低溫黃色預警，啟動了重大氣象災害低溫Ⅳ級響應程序，北京市的最低氣溫更是刷新了21世紀以來同期的最低紀錄。在此極端嚴寒天氣下，根據預報天氣情況，對用戶負荷進行了預估，經過計算得出，熱泵站最高負荷可達40MW。根據預測最大負荷，熱泵站應啟用4臺地源熱泵進行供熱，并以其他熱源來進行輔助供熱。在嚴寒到來之后，按照預定計劃開啟了4臺熱泵，但是在極寒天氣下，地埋區的供水溫度進行急速降低，地埋區的供水完全無法承擔多臺地源熱泵的高負荷使用。為避免因地埋區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組來減緩地埋區溫度的降低。

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

3.2地埋區冬夏熱量不平衡

地埋區的理想狀態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土壤溫度的變化。根據GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》中的規定，地源熱泵的地埋區換熱系統最好每年都進行負荷計算，對冬季取熱量、夏季放熱量進行統計，每年對地埋區的取熱量與放熱量應平衡。但是由于氣象條件及使用冬夏功能不同，一般會出現地埋區的取、放熱量不平衡，從而導致地埋區的土壤溫度連年下降或者上升，造成地源熱泵的性能下降，嚴重時甚至導致地源熱泵系統無法正常運行，這個問題已經成為使用地源熱泵系統需要面對的最大問題。機場地源熱泵站實際供暖面積遠大于供冷面積，造成了嚴重的地埋區冬夏熱量不匹配。近1年內，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，會慢慢造成嚴重的地熱失衡，最終導致冬季地源熱泵無法運行。

針對這一問題，經過探索，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來補充地埋區熱量。機場建有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。現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結語

利用地源熱泵作為一種現在常用的供能方式，可大范圍地利用地熱這種可再生能源，提高區域范圍內的可再生能源利用率，同時在“碳中和”“碳達峰”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，地源熱泵不產生排煙及廢棄物，更加綠色環保。

但是在實際的使用過程中，因冬夏負荷不同，如何保持土壤的穩定性、保持地熱冬夏平衡，是在實際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行供能，來提高供能系統的穩定性和安全裕度。

參考文獻

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作者簡介：王涓（1976—），女，本科，中級工程師，研究方向為暖通空調。