地源熱泵

武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及常見問題探究

武漢地區(qū)地熱資源豐富,對武漢地區(qū)27個項目的地源熱泵實際運行狀況進行了能效測評,27個項目中僅有6個為地下水源熱泵系統(tǒng),21個為地埋管地源熱泵系統(tǒng),占到了測評項目總數(shù)的78%,這表明近幾年在武漢地區(qū),受地質、環(huán)境、政策等影響,豎直地埋管系統(tǒng)在地源熱泵系統(tǒng)中占主要地位。按照運行狀況分,21個地埋管地源熱泵系統(tǒng)中10個為間歇運行,主要為行政辦公和實驗研發(fā)樓,剩余的11個連續(xù)運行項目分別是住宅以及火車站房,受埋管面積、負荷特性、建設及使用對象等影響,在集中商業(yè)中較少采用地源熱泵系統(tǒng)。21個地埋管地源熱泵系統(tǒng)均配置了輔助散熱裝置,輔助形式包括冷卻塔、熱回收、湖水源等,采用冷卻塔進行輔助冷卻的系統(tǒng)幾乎占到了100%,采用熱回收的復合式系統(tǒng)占到了項目總數(shù)的50%左右。


測試表明武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)制冷工況下主機平均性能系數(shù)為5.16,冷熱源系統(tǒng)平均能效比為3.39;在制熱工況下主機平均性能系數(shù)為4.38,冷熱源系統(tǒng)平均能效比為3.29。經過計算,武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的平均單位負荷能耗為0.26kW·h/(kW·h),單位面積平均能耗為26.95kW·h/m2。相比于設計工況,地源熱泵系統(tǒng)實際運行工況均存在一定的偏差,大多數(shù)表現(xiàn)為負偏差,實際運行過程中也或多或少存在各種問題,主要表現(xiàn)在設計層面、施工層面和運營層面。


設計層面:部分系統(tǒng)因為設計輸入條件不明確(例如設計前未做熱物性測試,未進行動態(tài)負荷和地源側熱平衡分析,冷熱負和換熱量荷按照經驗值進行估算),埋管數(shù)量偏多、面積偏大,輔助冷卻塔常年均不運行,造成了資源的浪費,而有些項目又因為埋管數(shù)量過少或冷卻塔容量選擇過于保守,造成制冷工況下系統(tǒng)冷卻水出水溫度在機組運行期間不斷升高,以致機組出力大幅降低甚至自保護關機,造成系統(tǒng)運行故障頻發(fā),系統(tǒng)效率降低。


施工層面:同常規(guī)空調系統(tǒng)相比,垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)重點在于地埋管換熱器的實施,主要受場地條件、交叉施工、回填方式影響較大。例如:某項目在實施的過程中,由于部分埋管區(qū)域出現(xiàn)溶洞,平均鉆孔深度只有69米,達不到設計深度90米,為了保證地埋管換熱器總長度不變,在其他非埋管區(qū)增加一部分鉆孔,實際上雖然換熱器總長度未改變,因為不同深度的換熱量不同,整體換熱量已達不到設計值。某項目由于地質情況較為復雜,前期進行施工組織時對地埋管換熱器鉆孔難度估算不足,換熱器施工工期拉長,為了確保整體工程按時完工,地下室結構底板和位于結構底板下的地埋管換熱器需要同時施工,造成了地埋換換熱器施工分區(qū)與設計分區(qū)不一致,地埋管二級分集水器側由設計階段的同程式系統(tǒng)變更為實施階段的異程式系統(tǒng),為了維持水力平衡,只能通過調整換熱器連接二級分集水器之間的水平埋管管徑,盡量使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調范圍類。


垂直埋管換熱器鉆孔回填方式主要有原漿回填、反漿回填和人工回填,其中反漿回填效果最好,但需使用專業(yè)設備,成本較高,施工過程中往往采用成本較低的原漿回填或操作簡單的人工回填,在回填過程中易出現(xiàn)氣穴、堵塞等缺陷,造成回填密實度不佳。垂直埋管換熱器施工中常見的另一個問題是埋管下井時,換熱支管易出現(xiàn)互相纏繞,造成埋管間熱橋效應增加,這種狀況在采用雙U型地埋管換熱器、鉆孔深度較深時尤為突出,常規(guī)的解決方法是設置分離定位管卡,工程中常用的管卡均采用內支撐,這種管卡易形成橫向阻隔,后續(xù)回填中會有氣穴,增大了回填材料的熱阻,不利于換熱,在有些需要依靠機械頂壓下管的場合,由于內支撐的存在,會造成無法頂壓下管的情況,施工時往往會取消設置管卡,優(yōu)先保證下管,此時換熱支管熱短路效應會增大,為避免這種狀況,施工中可采用成本較高的外支撐型管卡,或采用其他人工隔離的方式使換熱支管處于分開狀態(tài)。地埋管換熱器施工工藝復雜,工序繁多,任一環(huán)節(jié)過失均會對換熱量產生不利影響,在換熱器施工到一定數(shù)量后,應選擇一部分實施完成的換熱器進行換熱能力測試,以便后續(xù)復核或調整設計參數(shù)或施工工藝,確保整體換熱量滿足設計要求。


運營層面:管理團隊專業(yè)水平欠缺是大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)在運行時出現(xiàn)的共性問題,例如:地源熱泵+冷水機組復合式系統(tǒng)由于未按照設計要求進行運行,為了方便,系統(tǒng)的運行時間、運行方式在實際運行時均發(fā)生了改變,最終因為負荷分擔嚴重偏離設計工況,冷水機組被迫長期運行;地埋管+冷卻塔復合式系統(tǒng)由于運行不合理,地埋管換熱器未分區(qū)運行,地下水溫度偏高,冷卻塔被迫長期運行,系統(tǒng)散熱形式由設計時的以地埋管換熱器為主轉變?yōu)閷嶋H運行時的冷卻塔為主,實際運行能效遠遠低于設計值;由于管理不善,系統(tǒng)配套的溫度表、壓力表損壞嚴重,部分項目水系統(tǒng)冬夏轉換閥門泄漏嚴重,造成系統(tǒng)串水,換熱溫差減小,系統(tǒng)運行能效低下。另外,由于地方政策調整,部分水(冰)蓄冷/蓄熱項目在設計及施工階段有分時電價,項目即將投入運行時,分時電價被取消,為了降低運行費用,冰蓄冷/蓄熱系統(tǒng)在運行時并未投入使用,系統(tǒng)在使用時用戶側通過板換與機組冷熱源側進行換熱,這樣一方面造成資源浪費,另一方面因為多了一級換熱而降低了空調系統(tǒng)的能效。


相比于常規(guī)的空調系統(tǒng),地源熱泵系統(tǒng)技術難度高,系統(tǒng)復雜,施工工藝和運維要求高,系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的好壞,跟前期勘察、設計、施工、后期運營各個階段息息相關,應建立一套地源熱泵系統(tǒng)生命周期的系統(tǒng)管理體系,由專業(yè)隊伍把控系統(tǒng)從立項到運營的各個環(huán)節(jié),保障系統(tǒng)真正做到高效節(jié)能運行,實現(xiàn)降碳減排的目的。


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