張宗旺 王愛斌 梅桂金 馮業(yè)斐

摘要 為了實(shí)現(xiàn)青島西站的科技交通與科學(xué)管理，在設(shè)計(jì)運(yùn)行中使用了空氣源熱泵與地源熱泵的聯(lián)合運(yùn)行，充分利用自然資源優(yōu)勢，達(dá)到了低碳、節(jié)能和環(huán)保的效果。實(shí)踐證實(shí)能源的互補(bǔ)有利于科技的進(jìn)步和資源的可持續(xù)發(fā)展。文章以青島西站為例，將空氣源熱泵與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的能源節(jié)約型社會。

關(guān)鍵詞 青島西站；地?zé)嵩幢?；空氣熱源泵；設(shè)計(jì)

中圖分類號 TU83文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0051-03

0 引言

低碳、節(jié)能、環(huán)保既是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題，也是我國經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展的模式。水環(huán)熱泵作為一種節(jié)能裝置，在工程中應(yīng)用價值也越來越高。已有學(xué)者對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在京津地區(qū)單體建筑中的節(jié)能性進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在沒有明顯內(nèi)外區(qū)劃分的單體建筑中也具有節(jié)能性。青島西能源站重點(diǎn)圍繞站房供能需求，配強(qiáng)冷熱源設(shè)備，完善提升供冷供暖效果，全面推進(jìn)空氣源熱泵與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行工作，現(xiàn)對有關(guān)技術(shù)要點(diǎn)加以總結(jié)。

1 總體概況

青島西站位于山東省青島市，總建筑面積59 416.85 m2，分為東西子站房和中央站房，總冷負(fù)荷8 213 kW，總熱負(fù)荷7 635 kW。有空氣源熱泵6 300 kW，地源熱泵650 kW，另有600 kW的電鍋爐。

1.1 系統(tǒng)總體運(yùn)行

冬季主要依靠空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖，以地源熱泵系統(tǒng)為輔；夏季實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的最大化，既能達(dá)到供冷要求，又能增加巖土體的蓄熱量[1]。

1.2 空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重

空氣源熱泵的性能會隨室外溫度變化而變化。當(dāng)室外溫度較低時，機(jī)組效率下降，甚至無法工作；當(dāng)室外溫度較低且相對濕度較大時，室外換熱器表面易結(jié)霜。后續(xù)能源站建設(shè)工程建議在布置空氣源熱泵機(jī)組時，充分考慮周圍環(huán)境對機(jī)組進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)的影響，確保進(jìn)風(fēng)通暢，排風(fēng)不受阻礙，并應(yīng)防止進(jìn)排風(fēng)氣流產(chǎn)生短路。

1.3 地下土壤冷熱負(fù)荷不平衡

（1）增大蓄熱體體積。增大地埋管間距或深度，擴(kuò)大地埋管換熱體積，可以更大程度地從巖土體中取熱。

（2）增大蓄熱體體形系數(shù)。增大地埋管與周圍巖土體接觸面積，與更多的周圍巖土換熱，利于恢復(fù)。

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目名稱：青島西站地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目；

建設(shè)地點(diǎn)：山東省青島市黃島區(qū)海西三路；

建設(shè)內(nèi)容：室外地埋管系統(tǒng)建設(shè)和地源熱泵系統(tǒng)機(jī)房建設(shè)。

2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736—2012）；《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366—2009）；《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2003）；《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101—2004）；《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2005）；《通風(fēng)與空調(diào)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50234—2016）；《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50242—2002）；《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—暖通空調(diào)動力》2009 年版；《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ34—2010）；《山東省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ14—036—2006）2006年版；《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50981—2014）甲方提供的相關(guān)資料。

2.3 設(shè)計(jì)原則

項(xiàng)目按照以下原則進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[2]：

（1）嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家與行業(yè)的法律、法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)，選擇優(yōu)良的技術(shù)方案，確定合理的工程造價。

（2）設(shè)計(jì)時充分考慮主要生產(chǎn)設(shè)備的高效性、先進(jìn)性、成熟性和穩(wěn)定性。

（3）技術(shù)先進(jìn)性原則，采用先進(jìn)的設(shè)備和行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)與管理手段。

（4）環(huán)保原則，項(xiàng)目建設(shè)過程中認(rèn)真執(zhí)行環(huán)境保護(hù)政策。

2.4 方案設(shè)計(jì)思路

根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研，該項(xiàng)目計(jì)劃采用地源熱泵系統(tǒng)，利用現(xiàn)有場地進(jìn)行布孔和地源熱泵機(jī)房的建設(shè)，初步考慮室外打孔數(shù)量為100口，鉆孔深度120 m/孔，占地面積約1 200 m2，鉆孔位置和數(shù)量具體根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件和布孔面積相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，確保后期能夠與之前的系統(tǒng)充分復(fù)合，提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.5 地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 室外換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）換熱管材及技術(shù)參數(shù)。地下?lián)Q熱系統(tǒng)采用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），具有接口穩(wěn)定可靠、抗應(yīng)力開裂性好、耐化學(xué)腐蝕性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用壽命長（壽命可達(dá)70年）等特點(diǎn)。

（2）地埋管延米換熱量分析。經(jīng)調(diào)研在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用范圍內(nèi)，該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)以土壤及砂巖為主。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用雙U型埋管設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)性較高，因此該項(xiàng)目設(shè)計(jì)雙U32型豎直埋管，鉆孔孔徑150 mm，地埋管管材采用PE100高密度聚乙烯管材[3]。

經(jīng)查詢相關(guān)地質(zhì)資料，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，可大致估算出：該項(xiàng)目采用雙U型埋管時，夏季延米換熱量約為53 W/m，冬季延米換熱量約為42 W/m。

2.5.2 室外換熱井布置

該工程鉆孔的幾何分布形式設(shè)置矩陣型排列，鉆孔間距取4.00 m×4.00 m（豎向間距×橫向間距）。

2.6 地源熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)

依據(jù)室外鉆孔深度及延米換熱量分析計(jì)算，該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)可提供冷負(fù)荷約為530 kW，熱負(fù)荷約為672 kW。根據(jù)冷熱負(fù)荷量，該項(xiàng)目擬配置1臺額定制冷量為594.2 kW、額定制熱量636 kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組，相關(guān)機(jī)組技術(shù)參數(shù)如下：螺桿式地源熱泵機(jī)組參數(shù)見表1，熱泵機(jī)房主要設(shè)備表見表2，機(jī)房占地面積約為8.4×7.3=62 m2。

2.7 控制系統(tǒng)

考慮需要與原有的能源系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合，在復(fù)合處的冷凍水供回水總管、冷卻水供回水總管分別設(shè)置相應(yīng)的溫度傳感、壓力傳感和流量傳感裝置，實(shí)時監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，隨時作出相應(yīng)的調(diào)整，確保地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及復(fù)合后系統(tǒng)運(yùn)行的整體穩(wěn)定性[4]。該工程設(shè)置能源站智能云控管理平臺，對地源熱泵機(jī)房進(jìn)行云端控制、集中監(jiān)視和統(tǒng)一管理。

（1）設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控的功能。對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)，將分散在不同地點(diǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)接入到運(yùn)維管理系統(tǒng)中來，對設(shè)備情況、控制系統(tǒng)、采集設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查和校驗(yàn)，及時準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的搜索、查閱、定位功能和遠(yuǎn)程控制、故障診斷、信息反饋功能。

（2）設(shè)備管理功能。對所接入綜合能源站智能云控管理平臺的設(shè)備進(jìn)行信息管控。如供應(yīng)商、使用期限、聯(lián)系電話、維護(hù)情況、所在位置等信息進(jìn)行存儲分析；可以對設(shè)備生命周期進(jìn)行管理，比如對壽命即將到期的設(shè)備及時預(yù)警和更換配件，防止事故發(fā)生；通過在管理系統(tǒng)對設(shè)備準(zhǔn)確定位，方便后續(xù)管理[5]。

（3）遠(yuǎn)程運(yùn)行分析。通過圖形化界面，顯示遠(yuǎn)程設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)和運(yùn)行趨勢；自動監(jiān)測異常發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)在線分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)警，提供預(yù)防性報(bào)警、及時故障通知等服務(wù)。查詢設(shè)備運(yùn)行的歷史趨勢曲線，進(jìn)行設(shè)備性能分析。

（4）故障遠(yuǎn)程預(yù)警診斷。系統(tǒng)管理員根據(jù)設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件等信息，結(jié)合設(shè)備特性和專家經(jīng)驗(yàn)，可對其進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和故障預(yù)警，指導(dǎo)用戶按規(guī)定及時對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、故障處理等。通過對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，運(yùn)維管理系統(tǒng)收集了大量的數(shù)據(jù)，掌握了設(shè)備技術(shù)狀況的變化和損耗情況，結(jié)合設(shè)備模型和專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和預(yù)警功能。

（5）遠(yuǎn)程故障處理。由于綜合能源站智能云控管理平臺存儲了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備資料，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，回放設(shè)備歷史運(yùn)行狀況，對設(shè)備故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)加以分析診斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障處理。

（6）海量歷史數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。采用大規(guī)模、高保真的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，將大量設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)快速及時地傳輸并存儲到遠(yuǎn)程中心數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行周期內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)大規(guī)模存儲和在線。

（7）設(shè)備臺賬和運(yùn)行檔案。建立設(shè)備臺賬檔案管理，定義設(shè)備編碼和故障編碼，以及設(shè)備靜態(tài)信息、變動信息、設(shè)備履歷及工藝卡片等，及時管理設(shè)備。

結(jié)合數(shù)據(jù)采集終端、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)測診斷中心，全天候?qū)崟r監(jiān)測遠(yuǎn)程的大型設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)，并加以診斷分析，形成運(yùn)行檔案加以存儲，解決信息孤島，方便、有效地廣泛運(yùn)用數(shù)據(jù)，促進(jìn)大型設(shè)備的管理工作。

（8）對賬式服務(wù)。實(shí)時采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和能效數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成完善的運(yùn)行日報(bào)、月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)。通過多種途徑，給用戶進(jìn)行反饋，讓用戶和設(shè)備管理方及時了解運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和能效狀態(tài)，保證報(bào)告產(chǎn)生的及時性、準(zhǔn)確性和可靠性。

（9）系統(tǒng)具有的其他功能。系統(tǒng)具有干預(yù)模式：強(qiáng)干預(yù)、標(biāo)準(zhǔn)干預(yù)和弱干預(yù)，用戶可根據(jù)項(xiàng)目自行選擇干預(yù)模式。一鍵啟停功能：方便用戶對設(shè)置好的設(shè)備一鍵式啟動與關(guān)閉，使用更便捷。

差別控制功能：根據(jù)負(fù)荷變化特點(diǎn)的差別和冬夏季調(diào)節(jié)性能的不同采用不同的智能模糊調(diào)節(jié)模式[5]。

用戶管理功能：對不同用戶具有不同操作權(quán)限，權(quán)限保護(hù)密碼可自行設(shè)定。用戶權(quán)限分負(fù)責(zé)人、用戶、操作員三個權(quán)限。負(fù)責(zé)人權(quán)限能夠設(shè)置系統(tǒng)的所有參數(shù)起停設(shè)備控制。用戶權(quán)限能夠設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行部分參數(shù)起停設(shè)備控制。操作員權(quán)限只能起停設(shè)備控制不能改變系統(tǒng)參數(shù)。

定時操作功能：根據(jù)現(xiàn)場需要可實(shí)現(xiàn)每天不少于兩次定時自動開關(guān)機(jī)，達(dá)到無人值守要求。

自動記憶功能：運(yùn)行過程中電源掉電后自動記憶當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，恢復(fù)供電后自動追蹤斷電前的工作狀態(tài)。

防誤操作功能：對錯誤的設(shè)定和操作不識別，防止誤操作，造成空調(diào)機(jī)損壞。

擴(kuò)展功能：可與系統(tǒng)樓宇控制提供通信接口，實(shí)現(xiàn)樓宇集中控制。

數(shù)據(jù)處理功能：采集系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，通過智能控制器計(jì)算后參與系統(tǒng)設(shè)備的控制。

3 運(yùn)行費(fèi)用分析

按照夏季年運(yùn)行90 d，每天24 h，冬季年運(yùn)行120 d，每天24 h，電價按照0.7元/kWh計(jì)算。地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用分析見表3。

4 合理使用地源熱泵系統(tǒng)

（1）不可冬季使用夏季不用，也不可夏季使用冬季不用。

（2）夏熱冬用，提高全年熱利用率。

（3）夏蓄冬取，解決地下熱量不平衡問題。

5 地埋管地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)補(bǔ)熱

（1）多能互補(bǔ)熱泵系統(tǒng)。當(dāng)建筑物冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷時，可增設(shè)冷卻塔排熱。當(dāng)建筑物熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷時，可增設(shè)燃?xì)忮仩t供暖。

（2）地源熱泵太陽能系統(tǒng)。熱泵機(jī)組+地埋管+太陽能。

（3）有冷凝熱回收的熱泵系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)+地埋管+熱回收。

（4）與其他冷熱源聯(lián)合運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)。熱泵機(jī)組+地埋管、空氣源熱泵。

6 結(jié)語

綜上所述，熱泵的種類繁多，各個系統(tǒng)均有利弊，設(shè)計(jì)應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、地質(zhì)、建筑物等實(shí)際情況多方面考慮，科學(xué)選用。隨著國家對可再生能源應(yīng)用以及建筑節(jié)能的不斷重視，青島政府將高度重視熱泵這項(xiàng)技術(shù)。隨著技術(shù)不斷完善，水平不斷提高，熱泵的使用將保持快速增長趨勢，總量持續(xù)增長，熱源類型不斷增加，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，市場價格逐漸降低，將會為節(jié)能減排事業(yè)作出更大貢獻(xiàn)。

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