青岛西站空气源热泵与地源热泵联合运行策略

张宗旺 王爱斌 梅桂金 冯业斐

摘要 为了实现青岛西站的科技交通与科学管理，在设计运行中使用了空气源热泵与地源热泵的联合运行，充分利用自然资源优势，达到了低碳、节能和环保的效果。实践证实能源的互补有利于科技的进步和资源的可持续发展。文章以青岛西站为例，将空气源热泵与地源热泵联合运行进行分析，以实现节能环保的能源节约型社会。

关键词 青岛西站；地热源泵；空气热源泵；设计

中图分类号 TU83文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0051-03

0 引言

低碳、节能、环保既是21世纪世界经济发展的主题，也是我国经济长期可持续发展的模式。水环热泵作为一种节能装置，在工程中应用价值也越来越高。已有学者对水环热泵空调系统在京津地区单体建筑中的节能性进行了分析研究，结果表明：水环热泵空调系统在没有明显内外区划分的单体建筑中也具有节能性。青岛西能源站重点围绕站房供能需求，配强冷热源设备，完善提升供冷供暖效果，全面推进空气源热泵与地源热泵联合运行工作，现对有关技术要点加以总结。

1 总体概况

青岛西站位于山东省青岛市，总建筑面积59 416.85 m2，分为东西子站房和中央站房，总冷负荷8 213 kW，总热负荷7 635 kW。有空气源热泵6 300 kW，地源热泵650 kW，另有600 kW的电锅炉。

1.1 系统总体运行

冬季主要依靠空气源热泵系统进行供暖，以地源热泵系统为辅；夏季实现地源热泵系统运行的最大化，既能达到供冷要求，又能增加岩土体的蓄热量[1]。

1.2 空气源热泵机组结霜严重

空气源热泵的性能会随室外温度变化而变化。当室外温度较低时，机组效率下降，甚至无法工作；当室外温度较低且相对湿度较大时，室外换热器表面易结霜。后续能源站建设工程建议在布置空气源热泵机组时，充分考虑周围环境对机组进风与排风的影响，确保进风通畅，排风不受阻碍，并应防止进排风气流产生短路。

1.3 地下土壤冷热负荷不平衡

（1）增大蓄热体体积。增大地埋管间距或深度，扩大地埋管换热体积，可以更大程度地从岩土体中取热。

（2）增大蓄热体体形系数。增大地埋管与周围岩土体接触面积，与更多的周围岩土换热，利于恢复。

2 空调系统设计方案

2.1 项目概况

项目名称：青岛西站地源热泵系统项目；

建设地点：山东省青岛市黄岛区海西三路；

建设内容：室外地埋管系统建设和地源热泵系统机房建设。

2.2 设计依据

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）；《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2009）；《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003）；《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101—2004）；《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）；《通风与空调施工质量验收规范》（GB 50234—2016）；《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB 50242—2002）；《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调动力》2009 年版；《城镇供热管网设计规范》（CJJ34—2010）；《山东省公共建筑节能设计标准》（DBJ14—036—2006）2006年版；《建筑机电工程抗震设计规范》（GB50981—2014）甲方提供的相关资料。

2.3 设计原则

项目按照以下原则进行系统方案设计[2]：

（1）严格贯彻执行国家与行业的法律、法规、政策和标准，选择优良的技术方案，确定合理的工程造价。

（2）设计时充分考虑主要生产设备的高效性、先进性、成熟性和稳定性。

（3）技术先进性原则，采用先进的设备和行业内先进的技术与管理手段。

（4）环保原则，项目建设过程中认真执行环境保护政策。

2.4 方案设计思路

根据前期现场调研，该项目计划采用地源热泵系统，利用现有场地进行布孔和地源热泵机房的建设，初步考虑室外打孔数量为100口，钻孔深度120 m/孔，占地面积约1 200 m2，钻孔位置和数量具体根据现场实际地质条件和布孔面积相应地进行调整，确保后期能够与之前的系统充分复合，提高系统整体的运行效率，保证系统的可靠性。

2.5 地埋管系统设计

2.5.1 室外换热系统设计

（1）换热管材及技术参数。地下换热系统采用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），具有接口稳定可靠、抗应力开裂性好、耐化学腐蚀性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用寿命长（寿命可达70年）等特点。

（2）地埋管延米换热量分析。经调研在浅层地热能开发利用范围内，该地区地质结构以土壤及砂岩为主。根据类似工程经验，采用双U型埋管设计经济技术性较高，因此该项目设计双U32型竖直埋管，钻孔孔径150 mm，地埋管管材采用PE100高密度聚乙烯管材[3]。

经查询相关地质资料，根据类似工程经验，可大致估算出：该项目采用双U型埋管时，夏季延米换热量约为53 W/m，冬季延米换热量约为42 W/m。

2.5.2 室外换热井布置

该工程钻孔的几何分布形式设置矩阵型排列，钻孔间距取4.00 m×4.00 m（竖向间距×横向间距）。

2.6 地源热泵机房设计

依据室外钻孔深度及延米换热量分析计算，该项目地源热泵系统可提供冷负荷约为530 kW，热负荷约为672 kW。根据冷热负荷量，该项目拟配置1台额定制冷量为594.2 kW、额定制熱量636 kW的螺杆式地源热泵机组，相关机组技术参数如下：螺杆式地源热泵机组参数见表1，热泵机房主要设备表见表2，机房占地面积约为8.4×7.3=62 m2。

2.7 控制系统

考虑需要与原有的能源系统进行复合，在复合处的冷冻水供回水总管、冷却水供回水总管分别设置相应的温度传感、压力传感和流量传感装置，实时监控各项数据的变化，随时作出相应的调整，确保地源热泵系统运行的稳定性以及复合后系统运行的整体稳定性[4]。该工程设置能源站智能云控管理平台，对地源热泵机房进行云端控制、集中监视和统一管理。

（1）设备运行监控的功能。对设备进行远程监控，通过网络技术和通信技术，将分散在不同地点的设备数据接入到运维管理系统中来，对设备情况、控制系统、采集设备、通信网络进行检查和校验，及时准确地判断设备的运行情况，实现对设备的搜索、查阅、定位功能和远程控制、故障诊断、信息反馈功能。

（2）设备管理功能。对所接入综合能源站智能云控管理平台的设备进行信息管控。如供应商、使用期限、联系电话、维护情况、所在位置等信息进行存储分析；可以对设备生命周期进行管理，比如对寿命即将到期的设备及时预警和更换配件，防止事故发生；通过在管理系統对设备准确定位，方便后续管理[5]。

（3）远程运行分析。通过图形化界面，显示远程设备实时数据和运行趋势；自动监测异常发展趋势，实现在线分析系统的运行状态和预警，提供预防性报警、及时故障通知等服务。查询设备运行的历史趋势曲线，进行设备性能分析。

（4）故障远程预警诊断。系统管理员根据设备运行有关的数据、报警、事件等信息，结合设备特性和专家经验，可对其进行远程诊断和故障预警，指导用户按规定及时对设备进行维护保养、故障处理等。通过对设备的远程监控，运维管理系统收集了大量的数据，掌握了设备技术状况的变化和损耗情况，结合设备模型和专家经验进行分析，准确实现远程诊断和预警功能。

（5）远程故障处理。由于综合能源站智能云控管理平台存储了大量的运行数据和设备资料，利用数据分析系统和专家系统，回放设备历史运行状况，对设备故障进行复现加以分析诊断，实现远程故障处理。

（6）海量历史数据存储服务。采用大规模、高保真的数据压缩技术，将大量设备运行的关键参数快速及时地传输并存储到远程中心数据仓库进行统一的数据管理，实现设备运行周期内运行数据大规模存储和在线。

（7）设备台账和运行档案。建立设备台账档案管理，定义设备编码和故障编码，以及设备静态信息、变动信息、设备履历及工艺卡片等，及时管理设备。

结合数据采集终端、历史数据服务器和监测诊断中心，全天候实时监测远程的大型设备状态、运行参数和工艺数据，并加以诊断分析，形成运行档案加以存储，解决信息孤岛，方便、有效地广泛运用数据，促进大型设备的管理工作。

（8）对账式服务。实时采集设备的运行数据和能效数据等，对数据进行分析，形成完善的运行日报、月报、季报和年报。通过多种途径，给用户进行反馈，让用户和设备管理方及时了解运行状态、设备状态和能效状态，保证报告产生的及时性、准确性和可靠性。

（9）系统具有的其他功能。系统具有干预模式：强干预、标准干预和弱干预，用户可根据项目自行选择干预模式。一键启停功能：方便用户对设置好的设备一键式启动与关闭，使用更便捷。

差别控制功能：根据负荷变化特点的差别和冬夏季调节性能的不同采用不同的智能模糊调节模式[5]。

用户管理功能：对不同用户具有不同操作权限，权限保护密码可自行设定。用户权限分负责人、用户、操作员三个权限。负责人权限能够设置系统的所有参数起停设备控制。用户权限能够设置系统运行部分参数起停设备控制。操作员权限只能起停设备控制不能改变系统参数。

定时操作功能：根据现场需要可实现每天不少于两次定时自动开关机，达到无人值守要求。

自动记忆功能：运行过程中电源掉电后自动记忆当前运行参数，恢复供电后自动追踪断电前的工作状态。

防误操作功能：对错误的设定和操作不识别，防止误操作，造成空调机损坏。

扩展功能：可与系统楼宇控制提供通信接口，实现楼宇集中控制。

数据处理功能：采集系统各项参数，通过智能控制器计算后参与系统设备的控制。

3 运行费用分析

按照夏季年运行90 d，每天24 h，冬季年运行120 d，每天24 h，电价按照0.7元/kWh计算。地源热泵运行费用分析见表3。

4 合理使用地源热泵系统

（1）不可冬季使用夏季不用，也不可夏季使用冬季不用。

（2）夏热冬用，提高全年热利用率。

（3）夏蓄冬取，解决地下热量不平衡问题。

5 地埋管地源热泵复合系统补热

（1）多能互补热泵系统。当建筑物冷负荷大于热负荷时，可增设冷却塔排热。当建筑物热负荷大于冷负荷时，可增设燃气锅炉供暖。

（2）地源热泵太阳能系统。热泵机组+地埋管+太阳能。

（3）有冷凝热回收的热泵系统。热泵系统+地埋管+热回收。

（4）与其他冷热源联合运行的地源热泵系统。热泵机组+地埋管、空气源热泵。

6 结语

综上所述，热泵的种类繁多，各个系统均有利弊，设计应用时应结合当地气候、地质、建筑物等实际情况多方面考虑，科学选用。随着国家对可再生能源应用以及建筑节能的不断重视，青岛政府将高度重视热泵这项技术。随着技术不断完善，水平不断提高，热泵的使用将保持快速增长趋势，总量持续增长，热源类型不断增加，产业规模持续扩大，市场价格逐渐降低，将会为节能减排事业作出更大贡献。

参考文献

[1]康磊， 么旭， 陈颖， 等. 地源热泵与空气源热泵的对比浅析[J]. 环境与可持续发展， 2017（2）： 125-126.

[2]韩宗伟， 王一茹， 阿不来提·依米提， 等. 空气源热泵辅助吸收式地源热泵系统的适用性分析[J]. 制冷技术， 2014（1）： 55-59.

[3]王伟， 南晓红， 马俊， 等. 空气源热泵与太阳能热水系统集成设计探讨[J]. 制冷与空调， 2011（5）： 438-442.

[4]于齐东. 水环热泵与空气源热泵节能性对比分析[J]. 煤气与热力， 2011（6）： 8-11.

[5]张静波， 吴建兵， 寿炜炜. 上海地区地埋管地源热泵和空气源热泵的节能性分析[J]. 暖通空调， 2011（3）： 102-107.