公建项目地源热泵系统实际应用研究

摘要：近年来，随着人们生活水平的日益提高和国家节能政策的執行，绿色节能建筑已成为当今公共建筑建设追求的主题。由于中央空调系统的能耗在大型公共建筑运行的能源消耗中占比较重（约占60%），而在整个中央空调系统中空调主机的能耗占比最大。因此，中央空调系统主机能耗的高低直接影响绿色建筑建设的成败。中央空调系统主机形式很多，目前应用较多的主要有：风冷热泵机组、多联机系统、直燃机机组（溴化锂机组）和水冷冷水机组（冰蓄冷系统、地源热泵系统）等。本文以某机场项目地源热泵系统为研究对象，对地源热泵的地埋区设计、管理及建设的影响因素进行了阐述，并根据地源热泵供暖实际运行经验，对地源热泵运行的问题进行了分析研究，并对发现的运行问题提出了解决的思路。

关键词：机场  地源热泵  平衡  应用  研究

地源热泵系统是一种利用可再生能源进行供能的系统，它利用土壤或地下水体等所储藏的浅层地热、深层地热为冷源或热源，采用热泵的形式，冬天从土壤中取热，夏季向土壤中放热，来实现“一机多用”，成为既可供热又可制冷的高效空调系统，具有低碳、环保、节能等优点。地源热泵是近些年来发展的较快的一种清洁能源利用形式，在新建建筑的暖通系统上被广泛应用。本文针对北京某机场地源热泵的地埋区系统管理进行分析，并对运行中实际存在的问题进行探讨，指出了下一步的研究方向。

地源热泵系统的核心运行机理为冬取夏灌，通过维持全年土壤侧能量平衡实现系统稳定运行。因此，对于土壤源热泵而言，土壤侧能否维持能量平衡直接关乎实际工程应用的可持续性[1]。对于敷设了成千上万根地埋管的大型地源热泵供能系统而言，地埋管所构成管群系统的水力耦合特性及管间交互效应将极大地影响系统的使用性能[2]。

该项目机场地源热泵系统地埋侧具有10 680个地埋孔，地源热泵综合系统供热面积达248万m，其规模达到全球浅层地热利用的前列。大规模的地源热泵技术目前存在地埋侧管理的难点在于如何保证冬夏季地埋侧温度平衡，确保地源热泵技术的可持续使用。

1 地源热泵的概述

在空调系统中地源热泵系统是一种新型的能源利用热泵系统，主要是通过利用浅层地热能进行供热制冷，冬季将地下热量转移到室内，夏季把室内热量转移到地下。

地源热泵系统作为一种有效安全的低位能源，十分适合作为大型公共建筑空调系统的能源来源。它不仅可以高效提供空调所需的冷冻水和供暖热水，而且可以在夏季制冷时免费提供生活热水。地源热泵系统无排放污染，不消耗燃煤、柴、汽油或天然气等不可再生资源。对比常规中央空调系统，地源热泵系统机电设备少，维护成本低。地源热泵系统初投资较高，但能充分利用地下低位恒温热源，系统效率高、节能环保，属典型的可再生能源利用技术，符合国家节能减排的方针和绿色建筑发展战略，具有非常好的运行经济效益和环境效益。

2 地埋区管理

2.1地埋区工程概况

项目地理位置在永定河冲积平原，机场地源热泵工程地埋区处于永定河冲洪积扇的下游地区，地层结构位于多层砂区，它的地层岩性主要为粘性土层和砂层互层，粘性土层数多且稳定，累积厚度较大;含水层性质为承压水，含水层渗透性与富水性一般，并且此区域地下水回灌难度大。机场区域的地下水补给主要来自降水入渗和侧向径流入渗，流出方式主要是人工开采和地下径流。机场区域的地埋区径流条件比较好，浅层地热利用效果好，能够增强与土壤的换热效果，适宜建立地源热泵的供能系统。机场附近区域的水文地质情况见图1。

根据行业专家出具的地质条件评估报告，机场的地源热泵系统地埋区换热孔冬、夏季每延米换热量取值分别为30.88W/m和54.35W/m。当系统达到稳定状态时，冬季地埋管供回水温度分别为7℃和4.5℃，夏季地埋管供回水温度分别为30℃和34℃。

机场地源热泵系统的地埋管分为南侧和北侧，分别为1号地源热泵站和2号地源热泵站提供浅层地热热量，为各场站的热泵机组提供热量。地埋管位于机场兴旺湖公园内，按5m间距进行排布，南侧布孔数量3120个，北侧布孔数量7560个，共计达10 680个。布孔密度达47%，面积36.7万m。布孔深度上，北侧打孔深度达140m，南侧深度为120m。通过以上地埋侧布孔情况，北侧地埋区（2号地源热泵站）冬季供热能力为40.2MW，夏季供冷能力为36.6MW;南侧地埋区（1号地源热泵站）冬季供热能力为14.2MW，夏季供冷能力为12.2MW。

为更好地实时了解地埋管系统的运行情况，以及地埋管换冷换热对土壤层的影响，本项目对地埋管系统的主要参数进行了监控，如对土壤源侧的总流量、温度、压力，以及每个分集水器的温度、流量、压力进行监测。实时了解土壤层的变化，根据变化调整运行模式，并对系统是否正常运行进行判断，如根据总流量计和各分集水器流量的对比判断是否发生泄漏。

2.2地埋区换区管理

以2能源号站的地埋区进行举例说明。2号能源站的每个地埋孔深约140m，将30个地埋孔连接成为一个最小单元的供回小回路，6个回路设置一个分集水器，12个回路组成一个地块，共设置21个地块。2号能源站的地埋区地块划分情况见图2。每个地块设置分集水器，每个分集水器总管上设置电动阀门，可将此地块汇入供回水的总管进行供热、供冷。机场地埋区设计中可以对地埋区的总流量、温度、压力，每个分集水器的温度、流量、压力进行监测，并可实时掌握地埋侧变化，通过各项参数判断地埋系统运行状态，根据总流量和各分集水器流量的对比判断是否发生泄漏。正常运行时，通过末端负荷变化调整地源侧循环水泵流量，地埋孔通过量调节的方式进行负荷调节。

实际运行中观察，在更换地块后，前期地埋侧供水温度较高，但会以较快的速度下降，在下降到一定温度以下后下降趋势会变缓，开始缓慢下降，然后能够基本保持一段时间的供水稳定。

2.3地埋区建设影响因素

地源热泵项目地埋区工程复杂，若施工过程把控不严，极易在后期出现问题。地埋区工程的地埋孔深度、直径、垂直度、地埋孔回填材料、回填速度、水平联管敷设等均有严格的要求，在施工中应保证施工质量，避免因施工不合格导致的地下管道泄漏、换热效率不足、影响地下水环境等现象。并且地埋区的建设有一次性建设，后期基本无法进行修护、完善，出现问题很难得到解决，所以必须在建设期间加大监管力度，保证按要求进行施工。

3 运行问题分析

3.1极寒天气下地源热泵的使用

在设计理念中，天气较冷时，用户负荷较大，应多开地源热泵进行供热，但在实际运行中发现并不满足条件。其中一个原因为机场热泵机组设计的最高供水温度为50℃，当回水温度升高时，热泵机组负荷会降低;若回水温度过高，热泵机组会自动停机。在极寒天气下，为保障用户服务品质，会提高供水温度，但提高供水温度势必会使回水温度有一定的升高，回水温度过高会导致机组自动停机。另一项原因为，在严寒期间地埋区的供水温度会下降较快，无法满足多台机组的连续运行。

下面以2021年初的北京极端严寒天气为例进行说明。2021年1月6日，北京市迎

来了一股最强冷空气，室外温度大幅度下降，寒潮期间最高温度-10℃，最低温度达到-21℃，同时最大可达9级的阵风，风寒效应十分明显。此次寒潮，北京市启动了大风黄色预警、持续低温黄色预警，启动了重大气象灾害低温Ⅳ级响应程序，北京市的最低气温更是刷新了21世纪以来同期的最低纪录。在此极端严寒天气下，根据预报天气情况，对用户负荷进行了预估，经过计算得出，热泵站最高负荷可达40MW。根据预测最大负荷，热泵站应启用4台地源热泵进行供热，并以其他热源来进行辅助供热。在严寒到来之后，按照预定计划开启了4台热泵，但是在极寒天气下，地埋区的供水温度进行急速降低，地埋区的供水完全无法承担多台地源热泵的高负荷使用。为避免因地埋区供水温度太低无法开启地源热泵，只能停掉一半的地源熱泵机组来减缓地埋区温度的降低。

对此次严寒期的实际运行进行总结，单独的地源热泵供热安全裕度较低，在以热泵为基础热源再辅以其他热源的条件下，才能保证系统运行的稳定性，并且能够降低地源热泵的装机容量和设计投资费用。

3.2地埋区冬夏热量不平衡

地埋区的理想状态为冬季取热量与夏季放热量匹配，可以长期运行后不引起地埋区土壤温度的变化。根据GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》中的规定，地源热泵的地埋区换热系统最好每年都进行负荷计算，对冬季取热量、夏季放热量进行统计，每年对地埋区的取热量与放热量应平衡。但是由于气象条件及使用冬夏功能不同，一般会出现地埋区的取、放热量不平衡，从而导致地埋区的土壤温度连年下降或者上升，造成地源热泵的性能下降，严重时甚至导致地源热泵系统无法正常运行，这个问题已经成为使用地源热泵系统需要面对的最大问题。机场地源热泵站实际供暖面积远大于供冷面积，造成了严重的地埋区冬夏热量不匹配。近1年内，冬季取热量约是夏季放热量的1.5倍，2020—2021年供暖季地埋区土壤温度较2019—2020年供暖季降低了1.7℃。长此以往，会慢慢造成严重的地热失衡，最终导致冬季地源热泵无法运行。

针对这一问题，经过探索，寻找出2套解决措施。一是在冬季减少地源热泵的使用，根据夏季放热量作为限额来制约冬季取热量，以其他供热方式来补充供热，满足用户需求。二是尝试将锅炉烟气废热排入地埋区来补充地埋区热量。机场建有5台锅炉，锅炉烟气直接排放温度约有70℃，采用烟气热泵深度回收烟气余热后排烟温度可降至30℃。在实际运行中，绝大多数时间锅炉可提供的烟气废热大于烟气热泵所需，部分锅炉烟气直接排放，此部分废热未得到有效利用。现每台锅炉均配备喷淋塔，具备深层次回收烟气余热的条件，将锅炉烟气废热排入地埋区一方面能够降低排烟温度，减少排烟高度和污染物排放，另一方面能够补充土壤热量，便于地源热泵的使用。

4结语

利用地源热泵作为一种现在常用的供能方式，可大范围地利用地热这种可再生能源，提高区域范围内的可再生能源利用率，同时在“碳中和”“碳达峰”的形势下，通过地源热泵来替代锅炉的使用能够在供给同样热量的情况下大大减少碳排放，并且相较于使用锅炉，地源热泵不产生排烟及废弃物，更加绿色环保。

但是在实际的使用过程中，因冬夏负荷不同，如何保持土壤的稳定性、保持地热冬夏平衡，是在实际使用中面对的最大问题。同时，地源热泵的使用最好配有备用的供能方式，以多能互补的方式进行供能，来提高供能系统的稳定性和安全裕度。

参考文献

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[2]刘权，赵丽丽.多能互补供冷供热系统改造项目运行研究——地源热泵，太阳能及谷电蓄热系统的互补应用[J].建筑与预算，2020，295（11）：78-81.

[3]王坤，王梓越，张利，等.园区型综合能源系统节能效果及优化运行分析[J].电力需求侧管理，2020，128（6）：23-27，37.

[4] 王炳智，杨星林，张海波.新建医院地源热泵系统的施工工艺及优缺点分析[J].中国卫生产业，2018，15（22）：33-34.

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作者简介：王涓（1976—），女，本科，中级工程师，研究方向为暖通空调。