地源熱泵系統(tǒng)是一種利用可再生能源進行供能的系統(tǒng),它利用土壤或地下水體等所儲藏的淺層地熱、深層地熱為冷源或熱源,采用熱泵的形式,冬天從土壤中取熱,夏季向土壤中放熱,來實現(xiàn)“一機多用”,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。

大興機場地源熱泵系統(tǒng)地埋側(cè)具有10680個地埋孔,地源熱泵綜合系統(tǒng)供熱面積達248萬m²,其規(guī)模達到全球淺層地熱利用的前列。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,大興機場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。大興機場區(qū)域的地下水補給主要來自降水入滲和側(cè)向徑流入滲,流出方式主要是人工開采和地下徑流。大興機場區(qū)域的地埋區(qū)徑流條件比較好,淺層地熱利用效果好,能夠增強與土壤的換熱效果,適宜建立地源熱泵的供能系統(tǒng)。大興機場附近區(qū)域的水文地質(zhì)情況見圖1。

根據(jù)行業(yè)專家出具的地質(zhì)條件評估報告,大興機場的地源熱泵系統(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。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時,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

地源熱泵項目地埋區(qū)工程復(fù)雜,若施工過程把控不嚴,極易在后期出現(xiàn)問題。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),后期基本無法進行修護、完善,出現(xiàn)問題很難得到解決,所以必須在建設(shè)期間加大監(jiān)管力度,保證按要求進行施工。

極寒天氣下地源熱泵的使用

在設(shè)計理念中,天氣較冷時,用戶負荷較大,應(yīng)多開地源熱泵進行供熱,但在實際運行中發(fā)現(xiàn)并不滿足條件。其中一個原因為大興機場熱泵機組設(shè)計的最高供水溫度為50℃,當回水溫度升高時,熱泵機組負荷會降低;若回水溫度過高,熱泵機組會自動停機。在極寒天氣下,為保障用戶服務(wù)品質(zhì),會提高供水溫度,但提高供水溫度勢必會使回水溫度有一定的升高,回水溫度過高會導(dǎo)致機組自動停機。另一項原因為在嚴寒期間地埋區(qū)的供水溫度會下降較快,無法滿足多臺機組的連續(xù)運行。

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,可以長期運行后不引起地埋區(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)最好每年都進行負荷計算,對冬季取熱量、夏季放熱量進行統(tǒng)計,每年對地埋區(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,嚴重的時候甚至導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)無法正常運行,這個問題已經(jīng)成為使用地源熱泵系統(tǒng)需要面對的最大問題。

大興機場地源熱泵站實際供暖面積遠大于供冷面積,造成了嚴重的地埋區(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℃。長此以往,會慢慢造成嚴重的地熱失衡,最終導(dǎo)致冬季地源熱泵無法運行。

針對這一問題,經(jīng)過探索,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制約冬季取熱量,以其他供熱方式來補充供熱,滿足用戶需求。二是嘗試將鍋爐煙氣廢熱排入地埋區(qū)來補充地埋區(qū)熱量。大興機場建有5臺鍋爐,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℃。在實際運行中,絕大多數(shù)時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,另一方面能夠補充土壤熱量,便于地源熱泵的使用。