北京大興國際機場地源熱泵系統實際應用研究

地源熱泵系統是一種利用可再生能源進行供能的系統,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,來實現“一機多用”,成為供熱又可制冷的高效空調系統,具有低碳、環保、節能等優點。

大興機場地源熱泵系統地埋側具有10680個地埋孔,地源熱泵綜合系統供熱面積達248萬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目前存在地埋側管理的難點在于如何保證冬夏季地埋側溫度平衡,確保地源熱泵技術的可持續使用。

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。大興機場區域的地下水補給主要來自降水入滲和側向徑流入滲,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。大興機場附近區域的水文地質情況見圖1。

根據行業專家出具的地質條件評估報告,大興機場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℃。

地埋區建設影響因素

地源熱泵項目地埋區工程復雜,若施工過程把控不嚴,極易在后期出現問題。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、水平聯管敷設等均有嚴格的要求,在施工中應保證施工質量,避免因施工不合格導致的地下管道泄漏、換熱效率不足、影響地下水環境等現象。并且地埋區的建設有一次性建設,后期基本無法進行修護、完善,出現問題很難得到解決,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,用戶負荷較大,應多開地源熱泵進行供熱,但在實際運行中發現并不滿足條件。其中一個原因為大興機場熱泵機組設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,為保障用戶服務品質,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,回水溫度過高會導致機組自動停機。另一項原因為在嚴寒期間地埋區的供水溫度會下降較快,無法滿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土壤溫度的變化。根據GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》中的規定,地源熱泵的地埋區換熱系統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,嚴重的時候甚至導致地源熱泵系統無法正常運行,這個問題已經成為使用地源熱泵系統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℃。長此以往,會慢慢造成嚴重的地熱失衡,最終導致冬季地源熱泵無法運行。

針對這一問題,經過探索,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來補充地埋區熱量。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。