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)?/a>、深層地?zé)?/a>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(lái)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”,成為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)。

大興機(jī)場(chǎng)地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)具有10680個(gè)地埋孔,地源熱泵綜合系統(tǒng)供熱面積達(dá)248萬(wàn)m²,其規(guī)模達(dá)到全球淺層地?zé)崂?/a>的前列。大規(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。

地埋區(qū)工程概況

大興區(qū)位于永定河沖積平原,大興機(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。大興機(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。大興機(jī)場(chǎng)區(qū)域的地埋區(qū)徑流條件比較好,淺層地?zé)崂?/a>效果好,能夠增強(qiáng)與土壤的換熱效果,適宜建立地源熱泵的供能系統(tǒng)。大興機(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,大興機(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℃。

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。

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(mǎn)足條件。其中一個(gè)原因?yàn)榇笈d機(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)樵趪?yán)寒期間地埋區(qū)的供水溫度會(huì)下降較快,無(wú)法滿(mǎn)足多臺(tái)機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行。

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)重的時(shí)候甚至導(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。

大興機(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。近一年內(nèi),冬季取熱量約是夏季放熱量的1.5倍,2020-2021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)?/a>失衡,最終導(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,尋找出兩套解決措施。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(mǎn)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。大興機(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。現(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。