摘要：近年來(lái)，隨著人們生活水平的日益提高和國(guó)家節(jié)能政策的執(zhí)行，綠色節(jié)能建筑已成為當(dāng)今公共建筑建設(shè)追求的主題。由于中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗在大型公共建筑運(yùn)行的能源消耗中占比較重（約占60%），而在整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)主機(jī)的能耗占比最大。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)能耗的高低直接影響綠色建筑建設(shè)的成敗。中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)形式很多，目前應(yīng)用較多的主要有：風(fēng)冷熱泵機(jī)組、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、直燃機(jī)機(jī)組（溴化鋰機(jī)組）和水冷冷水機(jī)組（冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)）等。本文以某機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)地源熱泵的地埋區(qū)設(shè)計(jì)、管理及建設(shè)的影響因素進(jìn)行了闡述，并根據(jù)地源熱泵供暖實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地源熱泵運(yùn)行的問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的運(yùn)行問(wèn)題提出了解決的思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)??地源熱泵??平衡??應(yīng)用??研究

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用可再生能源進(jìn)行供能的系統(tǒng)，它利用土壤或地下水體等所儲(chǔ)藏的淺層地?zé)?、深層地?zé)釣槔湓椿驘嵩?，采用熱泵的形式，冬天從土壤中取熱，夏季向土壤中放熱，?lái)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，成為既可供熱又可制冷的高效空調(diào)系統(tǒng)，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。地源熱泵是近些年來(lái)發(fā)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(tǒng)上被廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)北京某機(jī)場(chǎng)地源熱泵的地埋區(qū)系統(tǒng)管理進(jìn)行分析，并對(duì)運(yùn)行中實(shí)際存在的問(wèn)題進(jìn)行探討，指出了下一步的研究方向。

地源熱泵系統(tǒng)的核心運(yùn)行機(jī)理為冬取夏灌，通過(guò)維持全年土壤側(cè)能量平衡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)于土壤源熱泵而言，土壤側(cè)能否維持能量平衡直接關(guān)乎實(shí)際工程應(yīng)用的可持續(xù)性[1]。對(duì)于敷設(shè)了成千上萬(wàn)根地埋管的大型地源熱泵供能系統(tǒng)而言，地埋管所構(gòu)成管群系統(tǒng)的水力耦合特性及管間交互效應(yīng)將極大地影響系統(tǒng)的使用性能[2]。

該項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)具有10?680個(gè)地埋孔，地源熱泵綜合系統(tǒng)供熱面積達(dá)248萬(wàn)m，其規(guī)模達(dá)到全球淺層地?zé)崂玫那傲小４笠?guī)模的地源熱泵技術(shù)目前存在地埋側(cè)管理的難點(diǎn)在于如何保證冬夏季地埋側(cè)溫度平衡，確保地源熱泵技術(shù)的可持續(xù)使用。

1 地源熱泵的概述

在空調(diào)系統(tǒng)中地源熱泵系統(tǒng)是一種新型的能源利用熱泵系統(tǒng)，主要是通過(guò)利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供熱制冷，冬季將地下熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，夏季把室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到地下。

地源熱泵系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的能源來(lái)源。它不僅可以高效提供空調(diào)所需的冷凍水和供暖熱水，而且可以在夏季制冷時(shí)免費(fèi)提供生活熱水。地源熱泵系統(tǒng)無(wú)排放污染，不消耗燃煤、柴、汽油或天然氣等不可再生資源。對(duì)比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備少，維護(hù)成本低。地源熱泵系統(tǒng)初投資較高，但能充分利用地下低位恒溫?zé)嵩?，系統(tǒng)效率高、節(jié)能環(huán)保，屬典型的可再生能源利用技術(shù)，符合國(guó)家節(jié)能減排的方針和綠色建筑發(fā)展戰(zhàn)略，具有非常好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2 地埋區(qū)管理

2.1地埋區(qū)工程概況

項(xiàng)目地理位置在永定河沖積平原，機(jī)場(chǎng)地源熱泵工程地埋區(qū)處于永定河沖洪積扇的下游地區(qū)，地層結(jié)構(gòu)位于多層砂區(qū)，它的地層巖性主要為粘性土層和砂層互層，粘性土層數(shù)多且穩(wěn)定，累積厚度較大;含水層性質(zhì)為承壓水，含水層滲透性與富水性一般，并且此區(qū)域地下水回灌難度大。機(jī)場(chǎng)區(qū)域的地下水補(bǔ)給主要來(lái)自降水入滲和側(cè)向徑流入滲，流出方式主要是人工開(kāi)采和地下徑流。機(jī)場(chǎng)區(qū)域的地埋區(qū)徑流條件比較好，淺層地?zé)崂眯Ч茫軌蛟鰪?qiáng)與土壤的換熱效果，適宜建立地源熱泵的供能系統(tǒng)。機(jī)場(chǎng)附近區(qū)域的水文地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

根據(jù)行業(yè)專(zhuān)家出具的地質(zhì)條件評(píng)估報(bào)告，機(jī)場(chǎng)的地源熱泵系統(tǒng)地埋區(qū)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(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(jī)場(chǎng)地源熱泵系統(tǒng)的地埋管分為南側(cè)和北側(cè)，分別為1號(hào)地源熱泵站和2號(hào)地源熱泵站提供淺層地?zé)釤崃浚瑸楦鲌?chǎng)站的熱泵機(jī)組提供熱量。地埋管位于機(jī)場(chǎng)興旺湖公園內(nèi)，按5m間距進(jìn)行排布，南側(cè)布孔數(shù)量3120個(gè)，北側(cè)布孔數(shù)量7560個(gè)，共計(jì)達(dá)10?680個(gè)。布孔密度達(dá)47%，面積36.7萬(wàn)m。布孔深度上，北側(cè)打孔深度達(dá)140m，南側(cè)深度為120m。通過(guò)以上地埋側(cè)布孔情況，北側(cè)地埋區(qū)（2號(hào)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(cè)地埋區(qū)（1號(hào)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(shí)時(shí)了解地埋管系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以及地埋管換冷換熱對(duì)土壤層的影響，本項(xiàng)目對(duì)地埋管系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控，如對(duì)土壤源側(cè)的總流量、溫度、壓力，以及每個(gè)分集水器的溫度、流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)了解土壤層的變化，根據(jù)變化調(diào)整運(yùn)行模式，并對(duì)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行進(jìn)行判斷，如根據(jù)總流量計(jì)和各分集水器流量的對(duì)比判斷是否發(fā)生泄漏。

2.2地埋區(qū)換區(qū)管理

以2能源號(hào)站的地埋區(qū)進(jìn)行舉例說(shuō)明。2號(hào)能源站的每個(gè)地埋孔深約140m，將30個(gè)地埋孔連接成為一個(gè)最小單元的供回小回路，6個(gè)回路設(shè)置一個(gè)分集水器，12個(gè)回路組成一個(gè)地塊，共設(shè)置21個(gè)地塊。2號(hào)能源站的地埋區(qū)地塊劃分情況見(jiàn)圖2。每個(gè)地塊設(shè)置分集水器，每個(gè)分集水器總管上設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)，可將此地塊匯入供回水的總管進(jìn)行供熱、供冷。機(jī)場(chǎng)地埋區(qū)設(shè)計(jì)中可以對(duì)地埋區(qū)的總流量、溫度、壓力，每個(gè)分集水器的溫度、流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可實(shí)時(shí)掌握地埋側(cè)變化，通過(guò)各項(xiàng)參數(shù)判斷地埋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)總流量和各分集水器流量的對(duì)比判斷是否發(fā)生泄漏。正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)末端負(fù)荷變化調(diào)整地源側(cè)循環(huán)水泵流量，地埋孔通過(guò)量調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

實(shí)際運(yùn)行中觀察，在更換地塊后，前期地埋側(cè)供水溫度較高，但會(huì)以較快的速度下降，在下降到一定溫度以下后下降趨勢(shì)會(huì)變緩，開(kāi)始緩慢下降，然后能夠基本保持一段時(shí)間的供水穩(wěn)定。

2.3地埋區(qū)建設(shè)影響因素

地源熱泵項(xiàng)目地埋區(qū)工程復(fù)雜，若施工過(guò)程把控不嚴(yán)，極易在后期出現(xiàn)問(wèn)題。地埋區(qū)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(lián)管敷設(shè)等均有嚴(yán)格的要求，在施工中應(yīng)保證施工質(zhì)量，避免因施工不合格導(dǎo)致的地下管道泄漏、換熱效率不足、影響地下水環(huán)境等現(xiàn)象。并且地埋區(qū)的建設(shè)有一次性建設(shè)，后期基本無(wú)法進(jìn)行修護(hù)、完善，出現(xiàn)問(wèn)題很難得到解決，所以必須在建設(shè)期間加大監(jiān)管力度，保證按要求進(jìn)行施工。

3 運(yùn)行問(wèn)題分析

3.1極寒天氣下地源熱泵的使用

在設(shè)計(jì)理念中，天氣較冷時(shí)，用戶(hù)負(fù)荷較大，應(yīng)多開(kāi)地源熱泵進(jìn)行供熱，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)并不滿足條件。其中一個(gè)原因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)的最高供水溫度為50℃，當(dāng)回水溫度升高時(shí)，熱泵機(jī)組負(fù)荷會(huì)降低;若回水溫度過(guò)高，熱泵機(jī)組會(huì)自動(dòng)停機(jī)。在極寒天氣下，為保障用戶(hù)服務(wù)品質(zhì)，會(huì)提高供水溫度，但提高供水溫度勢(shì)必會(huì)使回水溫度有一定的升高，回水溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。另一項(xiàng)原因?yàn)椋趪?yán)寒期間地埋區(qū)的供水溫度會(huì)下降較快，無(wú)法滿足多臺(tái)機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行。

下面以2021年初的北京極端嚴(yán)寒天氣為例進(jìn)行說(shuō)明。2021年1月6日，北京市迎

來(lái)了一股最強(qiáng)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(dá)到-21℃，同時(shí)最大可達(dá)9級(jí)的陣風(fēng)，風(fēng)寒效應(yīng)十分明顯。此次寒潮，北京市啟動(dòng)了大風(fēng)黃色預(yù)警、持續(xù)低溫黃色預(yù)警，啟動(dòng)了重大氣象災(zāi)害低溫Ⅳ級(jí)響應(yīng)程序，北京市的最低氣溫更是刷新了21世紀(jì)以來(lái)同期的最低紀(jì)錄。在此極端嚴(yán)寒天氣下，根據(jù)預(yù)報(bào)天氣情況，對(duì)用戶(hù)負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)估，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，熱泵站最高負(fù)荷可達(dá)40MW。根據(jù)預(yù)測(cè)最大負(fù)荷，熱泵站應(yīng)啟用4臺(tái)地源熱泵進(jìn)行供熱，并以其他熱源來(lái)進(jìn)行輔助供熱。在嚴(yán)寒到來(lái)之后，按照預(yù)定計(jì)劃開(kāi)啟了4臺(tái)熱泵，但是在極寒天氣下，地埋區(qū)的供水溫度進(jìn)行急速降低，地埋區(qū)的供水完全無(wú)法承擔(dān)多臺(tái)地源熱泵的高負(fù)荷使用。為避免因地埋區(qū)供水溫度太低無(wú)法開(kāi)啟地源熱泵，只能停掉一半的地源熱泵機(jī)組來(lái)減緩地埋區(qū)溫度的降低。

對(duì)此次嚴(yán)寒期的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行總結(jié)，單獨(dú)的地源熱泵供熱安全裕度較低，在以熱泵為基礎(chǔ)熱源再輔以其他熱源的條件下，才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且能夠降低地源熱泵的裝機(jī)容量和設(shè)計(jì)投資費(fèi)用。

3.2地埋區(qū)冬夏熱量不平衡

地埋區(qū)的理想狀態(tài)為冬季取熱量與夏季放熱量匹配，可以長(zhǎng)期運(yùn)行后不引起地埋區(qū)土壤溫度的變化。根據(jù)GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，地源熱泵的地埋區(qū)換熱系統(tǒng)最好每年都進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，對(duì)冬季取熱量、夏季放熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每年對(duì)地埋區(qū)的取熱量與放熱量應(yīng)平衡。但是由于氣象條件及使用冬夏功能不同，一般會(huì)出現(xiàn)地埋區(qū)的取、放熱量不平衡，從而導(dǎo)致地埋區(qū)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(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為使用地源熱泵系統(tǒng)需要面對(duì)的最大問(wèn)題。機(jī)場(chǎng)地源熱泵站實(shí)際供暖面積遠(yuǎn)大于供冷面積，造成了嚴(yán)重的地埋區(qū)冬夏熱量不匹配。近1年內(nèi)，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(qū)土壤溫度較2019—2020年供暖季降低了1.7℃。長(zhǎng)此以往，會(huì)慢慢造成嚴(yán)重的地?zé)崾Ш猓罱K導(dǎo)致冬季地源熱泵無(wú)法運(yùn)行。

針對(duì)這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(jù)夏季放熱量作為限額來(lái)制約冬季取熱量，以其他供熱方式來(lái)補(bǔ)充供熱，滿足用戶(hù)需求。二是嘗試將鍋爐煙氣廢熱排入地埋區(qū)來(lái)補(bǔ)充地埋區(qū)熱量。機(jī)場(chǎng)建有5臺(tái)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(shí)際運(yùn)行中，絕大多數(shù)時(shí)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?，F(xiàn)每臺(tái)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(qū)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(bǔ)充土壤熱量，便于地源熱泵的使用。

4結(jié)語(yǔ)

利用地源熱泵作為一種現(xiàn)在常用的供能方式，可大范圍地利用地?zé)徇@種可再生能源，提高區(qū)域范圍內(nèi)的可再生能源利用率，同時(shí)在“碳中和”“碳達(dá)峰”的形勢(shì)下，通過(guò)地源熱泵來(lái)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(chǎn)生排煙及廢棄物，更加綠色環(huán)保。

但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，因冬夏負(fù)荷不同，如何保持土壤的穩(wěn)定性、保持地?zé)岫钠胶?，是在?shí)際使用中面對(duì)的最大問(wèn)題。同時(shí)，地源熱泵的使用最好配有備用的供能方式，以多能互補(bǔ)的方式進(jìn)行供能，來(lái)提高供能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全裕度。

參考文獻(xiàn)

[1]李金華.地源熱泵系統(tǒng)助力碳中和——以北京地區(qū)為例[J].節(jié)能與環(huán)保，2021（5）：30-31.

[2]劉權(quán)，趙麗麗.多能互補(bǔ)供冷供熱系統(tǒng)改造項(xiàng)目運(yùn)行研究——地源熱泵，太陽(yáng)能及谷電蓄熱系統(tǒng)的互補(bǔ)應(yīng)用[J].建筑與預(yù)算，2020，295（11）：78-81.

[3]王坤，王梓越，張利，等.園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)節(jié)能效果及優(yōu)化運(yùn)行分析[J].電力需求側(cè)管理，2020，128（6）：23-27，37.

[4] 王炳智，楊星林，張海波.新建醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)的施工工藝及優(yōu)缺點(diǎn)分析[J].中國(guó)衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2018，15（22）：33-34.

[5]劉艷云.太原市某住宅小區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)方案分析[J].山西建筑，2018，39（16）：112-115.

[6]楊凡.中深層地源熱泵系統(tǒng)在區(qū)域集中供熱中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2020，48（6）：102-104.

作者簡(jiǎn)介：王涓（1976—），女，本科，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕照{(diào)。