北京大兴国际机场地源热泵系统实际应用研究

地源热泵系统是一种利用可再生能源进行供能的系统,它利用土壤或地下水体等所储藏的浅层地热、深层地热为冷源或热源,采用热泵的形式,冬天从土壤中取热,夏季向土壤中放热,来实现“一机多用”,成为供热又可制冷的高效空调系统,具有低碳、环保、节能等优点。

大兴机场地源热泵系统地埋侧具有10680个地埋孔,地源热泵综合系统供热面积达248万m²,其规模达到全球浅层地热利用的前列。大规模的地源热泵技术目前存在地埋侧管理的难点在于如何保证冬夏季地埋侧温度平衡,确保地源热泵技术的可持续使用。

地埋区工程概况

大兴区位于永定河冲积平原,大兴机场地源热泵工程地埋区处于永定河冲洪积扇的下游地区,地层结构位于多层砂区,它的地层岩性主要为粘性土层和砂层互层,粘性土层数多且稳定,累积厚度较大;含水层性质为承压水,含水层渗透性与富水性一般,并且此区域地下水回灌难度大。大兴机场区域的地下水补给主要来自降水入渗和侧向径流入渗,流出方式主要是人工开采和地下径流。大兴机场区域的地埋区径流条件比较好,浅层地热利用效果好,能够增强与土壤的换热效果,适宜建立地源热泵的供能系统。大兴机场附近区域的水文地质情况见图1。

根据行业专家出具的地质条件评估报告,大兴机场的地源热泵系统地埋区换热孔冬、夏季每延米换热量取值分别为30.88W/m和54.35W/m。当系统达到稳定状态时,冬季地埋管供回水温度分别为7℃和4.5℃,夏季地埋管供回水温度分别为30℃和34℃。

地埋区建设影响因素

地源热泵项目地埋区工程复杂,若施工过程把控不严,极易在后期出现问题。地埋区工程的地埋孔深度、直径、垂直度、地埋孔回填材料、回填速度、水平联管敷设等均有严格的要求,在施工中应保证施工质量,避免因施工不合格导致的地下管道泄漏、换热效率不足、影响地下水环境等现象。并且地埋区的建设有一次性建设,后期基本无法进行修护、完善,出现问题很难得到解决,所以必须在建设期间加大监管力度,保证按要求进行施工。

极寒天气下地源热泵的使用

在设计理念中,天气较冷时,用户负荷较大,应多开地源热泵进行供热,但在实际运行中发现并不满足条件。其中一个原因为大兴机场热泵机组设计的最高供水温度为50℃,当回水温度升高时,热泵机组负荷会降低;若回水温度过高,热泵机组会自动停机。在极寒天气下,为保障用户服务品质,会提高供水温度,但提高供水温度势必会使回水温度有一定的升高,回水温度过高会导致机组自动停机。另一项原因为在严寒期间地埋区的供水温度会下降较快,无法满足多台机组的连续运行。

地埋区冬夏热量不平衡

地埋区的理想状态为冬季取热量与夏季放热量匹配,可以长期运行后不引起地埋区土壤温度的变化。根据GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》中的规定,地源热泵的地埋区换热系统最好每年都进行负荷计算,对冬季取热量、夏季放热量进行统计,每年对地埋区的取热量与放热量应平衡。但是由于气象条件及使用冬夏功能不同,一般会出现地埋区的取、放热量不平衡,从而导致地埋区的土壤温度连年下降或者上升,造成地源热泵的性能下降,严重的时候甚至导致地源热泵系统无法正常运行,这个问题已经成为使用地源热泵系统需要面对的最大问题。

大兴机场地源热泵站实际供暖面积远大于供冷面积,造成了严重的地埋区冬夏热量不匹配。近一年内,冬季取热量约是夏季放热量的1.5倍,2020-2021供暖季地埋区土壤温度较2019-2020年供暖季降低了1.7℃。长此以往,会慢慢造成严重的地热失衡,最终导致冬季地源热泵无法运行。

针对这一问题,经过探索,寻找出两套解决措施。一是在冬季减少地源热泵的使用,根据夏季放热量作为限额来制约冬季取热量,以其他供热方式来补充供热,满足用户需求。二是尝试将锅炉烟气废热排入地埋区来补充地埋区热量。大兴机场建有5台锅炉,锅炉烟气直接排放温度约有70℃,采用烟气热泵深度回收烟气余热后排烟温度可降至30℃。在实际运行中,绝大多数时间锅炉可提供的烟气废热大于烟气热泵所需,部分锅炉烟气直接排放,此部分废热未得到有效利用。现每台锅炉均配备喷淋塔,具备深层次回收烟气余热的条件,将锅炉烟气废热排入地埋区一方面能够降低排烟温度,减少排烟高度和污染物排放,另一方面能够补充土壤热量,便于地源热泵的使用。