北京大興國際機場(chǎng)地源熱泵系統實(shí)際應用研究

地源熱泵系統是一種利用可再生能源進(jìn)行供能的系統,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(lái)實(shí)現“一機多用”,成為供熱又可制冷的高效空調系統,具有低碳、環(huán)保、節能等優(yōu)點(diǎn)。

大興機場(chǎng)地源熱泵系統地埋側具有10680個(gè)地埋孔,地源熱泵綜合系統供熱面積達248萬(wàn)m²,其規模達到全球淺層地熱利用的前列。大規模的地源熱泵技術(shù)目前存在地埋側管理的難點(diǎn)在于如何保證冬夏季地埋側溫度平衡,確保地源熱泵技術(shù)的可持續使用。

地埋區工程概況

大興區位于永定河沖積平原,大興機場(chǎng)地源熱泵工程地埋區處于永定河沖洪積扇的下游地區,地層結構位于多層砂區,它的地層巖性主要為粘性土層和砂層互層,粘性土層數多且穩定,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,并且此區域地下水回灌難度大。大興機場(chǎng)區域的地下水補給主要來(lái)自降水入滲和側向徑流入滲,流出方式主要是人工開(kāi)采和地下徑流。大興機場(chǎng)區域的地埋區徑流條件比較好,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。大興機場(chǎng)附近區域的水文地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

根據行業(yè)專(zhuān)家出具的地質(zhì)條件評估報告,大興機場(chǎng)的地源熱泵系統地埋區換熱孔冬、夏季每延米換熱量取值分別為30.88W/m和54.35W/m。當系統達到穩定狀態(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℃。

地埋區建設影響因素

地源熱泵項目地埋區工程復雜,若施工過(guò)程把控不嚴,極易在后期出現問(wèn)題。地埋區工程的地埋孔深度、直徑、垂直度、地埋孔回填材料、回填速度、水平聯(lián)管敷設等均有嚴格的要求,在施工中應保證施工質(zhì)量,避免因施工不合格導致的地下管道泄漏、換熱效率不足、影響地下水環(huán)境等現象。并且地埋區的建設有一次性建設,后期基本無(wú)法進(jìn)行修護、完善,出現問(wèn)題很難得到解決,所以必須在建設期間加大監管力度,保證按要求進(jìn)行施工。

極寒天氣下地源熱泵的使用

在設計理念中,天氣較冷時(shí),用戶(hù)負荷較大,應多開(kāi)地源熱泵進(jìn)行供熱,但在實(shí)際運行中發(fā)現并不滿(mǎn)足條件。其中一個(gè)原因為大興機場(chǎng)熱泵機組設計的最高供水溫度為50℃,當回水溫度升高時(shí),熱泵機組負荷會(huì )降低;若回水溫度過(guò)高,熱泵機組會(huì )自動(dòng)停機。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,但提高供水溫度勢必會(huì )使回水溫度有一定的升高,回水溫度過(guò)高會(huì )導致機組自動(dòng)停機。另一項原因為在嚴寒期間地埋區的供水溫度會(huì )下降較快,無(wú)法滿(mǎn)足多臺機組的連續運行。

地埋區冬夏熱量不平衡

地埋區的理想狀態(tài)為冬季取熱量與夏季放熱量匹配,可以長(cháng)期運行后不引起地埋區土壤溫度的變化。根據GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術(shù)規范》中的規定,地源熱泵的地埋區換熱系統最好每年都進(jìn)行負荷計算,對冬季取熱量、夏季放熱量進(jìn)行統計,每年對地埋區的取熱量與放熱量應平衡。但是由于氣象條件及使用冬夏功能不同,一般會(huì )出現地埋區的取、放熱量不平衡,從而導致地埋區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(shí)候甚至導致地源熱泵系統無(wú)法正常運行,這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為使用地源熱泵系統需要面對的最大問(wèn)題。

大興機場(chǎng)地源熱泵站實(shí)際供暖面積遠大于供冷面積,造成了嚴重的地埋區冬夏熱量不匹配。近一年內,冬季取熱量約是夏季放熱量的1.5倍,2020-2021供暖季地埋區土壤溫度較2019-2020年供暖季降低了1.7℃。長(cháng)此以往,會(huì )慢慢造成嚴重的地熱失衡,最終導致冬季地源熱泵無(wú)法運行。

針對這一問(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來(lái)補充地埋區熱量。大興機場(chǎng)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(shí)際運行中,絕大多數時(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。