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地源熱泵

武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及常見問題探究

武漢地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，對(duì)武漢地區(qū)27個(gè)項(xiàng)目的地源熱泵實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行了能效測(cè)評(píng)，27個(gè)項(xiàng)目中僅有6個(gè)為地下水源熱泵系統(tǒng)，21個(gè)為地埋管地源熱泵系統(tǒng)，占到了測(cè)評(píng)項(xiàng)目總數(shù)的78%，這表明近幾年在武漢地區(qū)，受地質(zhì)、環(huán)境、政策等影響，豎直地埋管系統(tǒng)在地源熱泵系統(tǒng)中占主要地位。按照運(yùn)行狀況分，21個(gè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)中10個(gè)為間歇運(yùn)行，主要為行政辦公和實(shí)驗(yàn)研發(fā)樓，剩余的11個(gè)連續(xù)運(yùn)行項(xiàng)目分別是住宅以及火車站房，受埋管面積、負(fù)荷特性、建設(shè)及使用對(duì)象等影響，在集中商業(yè)中較少采用地源熱泵系統(tǒng)。21個(gè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)均配置了輔助散熱裝置，輔助形式包括冷卻塔、熱回收、湖水源等，采用冷卻塔進(jìn)行輔助冷卻的系統(tǒng)幾乎占到了100%，采用熱回收的復(fù)合式系統(tǒng)占到了項(xiàng)目總數(shù)的50%左右。


測(cè)試表明武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)在制冷工況下主機(jī)平均性能系數(shù)為5.16，冷熱源系統(tǒng)平均能效比為3.39；在制熱工況下主機(jī)平均性能系數(shù)為4.38，冷熱源系統(tǒng)平均能效比為3.29。經(jīng)過計(jì)算，武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的平均單位負(fù)荷能耗為0.26kW·h/(kW·h)，單位面積平均能耗為26.95kW·h/m2。相比于設(shè)計(jì)工況，地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況均存在一定的偏差，大多數(shù)表現(xiàn)為負(fù)偏差，實(shí)際運(yùn)行過程中也或多或少存在各種問題，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)層面、施工層面和運(yùn)營層面。


設(shè)計(jì)層面：部分系統(tǒng)因?yàn)樵O(shè)計(jì)輸入條件不明確（例如設(shè)計(jì)前未做熱物性測(cè)試，未進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)荷和地源側(cè)熱平衡分析，冷熱負(fù)和換熱量荷按照經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算），埋管數(shù)量偏多、面積偏大，輔助冷卻塔常年均不運(yùn)行，造成了資源的浪費(fèi)，而有些項(xiàng)目又因?yàn)槁窆軘?shù)量過少或冷卻塔容量選擇過于保守，造成制冷工況下系統(tǒng)冷卻水出水溫度在機(jī)組運(yùn)行期間不斷升高，以致機(jī)組出力大幅降低甚至自保護(hù)關(guān)機(jī)，造成系統(tǒng)運(yùn)行故障頻發(fā)，系統(tǒng)效率降低。


施工層面：同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)重點(diǎn)在于地埋管換熱器的實(shí)施，主要受場(chǎng)地條件、交叉施工、回填方式影響較大。例如：某項(xiàng)目在實(shí)施的過程中，由于部分埋管區(qū)域出現(xiàn)溶洞，平均鉆孔深度只有69米，達(dá)不到設(shè)計(jì)深度90米，為了保證地埋管換熱器總長度不變，在其他非埋管區(qū)增加一部分鉆孔，實(shí)際上雖然換熱器總長度未改變，因?yàn)椴煌疃鹊膿Q熱量不同，整體換熱量已達(dá)不到設(shè)計(jì)值。某項(xiàng)目由于地質(zhì)情況較為復(fù)雜，前期進(jìn)行施工組織時(shí)對(duì)地埋管換熱器鉆孔難度估算不足，換熱器施工工期拉長，為了確保整體工程按時(shí)完工，地下室結(jié)構(gòu)底板和位于結(jié)構(gòu)底板下的地埋管換熱器需要同時(shí)施工，造成了地埋換換熱器施工分區(qū)與設(shè)計(jì)分區(qū)不一致，地埋管二級(jí)分集水器側(cè)由設(shè)計(jì)階段的同程式系統(tǒng)變更為實(shí)施階段的異程式系統(tǒng)，為了維持水力平衡，只能通過調(diào)整換熱器連接二級(jí)分集水器之間的水平埋管管徑，盡量使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調(diào)范圍類。


垂直埋管換熱器鉆孔回填方式主要有原漿回填、反漿回填和人工回填，其中反漿回填效果最好，但需使用專業(yè)設(shè)備，成本較高，施工過程中往往采用成本較低的原漿回填或操作簡單的人工回填，在回填過程中易出現(xiàn)氣穴、堵塞等缺陷，造成回填密實(shí)度不佳。垂直埋管換熱器施工中常見的另一個(gè)問題是埋管下井時(shí)，換熱支管易出現(xiàn)互相纏繞，造成埋管間熱橋效應(yīng)增加，這種狀況在采用雙U型地埋管換熱器、鉆孔深度較深時(shí)尤為突出，常規(guī)的解決方法是設(shè)置分離定位管卡，工程中常用的管卡均采用內(nèi)支撐，這種管卡易形成橫向阻隔，后續(xù)回填中會(huì)有氣穴，增大了回填材料的熱阻，不利于換熱，在有些需要依靠機(jī)械頂壓下管的場(chǎng)合，由于內(nèi)支撐的存在，會(huì)造成無法頂壓下管的情況，施工時(shí)往往會(huì)取消設(shè)置管卡，優(yōu)先保證下管，此時(shí)換熱支管熱短路效應(yīng)會(huì)增大，為避免這種狀況，施工中可采用成本較高的外支撐型管卡，或采用其他人工隔離的方式使換熱支管處于分開狀態(tài)。地埋管換熱器施工工藝復(fù)雜，工序繁多，任一環(huán)節(jié)過失均會(huì)對(duì)換熱量產(chǎn)生不利影響，在換熱器施工到一定數(shù)量后，應(yīng)選擇一部分實(shí)施完成的換熱器進(jìn)行換熱能力測(cè)試，以便后續(xù)復(fù)核或調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)或施工工藝，確保整體換熱量滿足設(shè)計(jì)要求。


運(yùn)營層面：管理團(tuán)隊(duì)專業(yè)水平欠缺是大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的共性問題，例如：地源熱泵+冷水機(jī)組復(fù)合式系統(tǒng)由于未按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行，為了方便，系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行方式在實(shí)際運(yùn)行時(shí)均發(fā)生了改變，最終因?yàn)樨?fù)荷分擔(dān)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，冷水機(jī)組被迫長期運(yùn)行；地埋管+冷卻塔復(fù)合式系統(tǒng)由于運(yùn)行不合理，地埋管換熱器未分區(qū)運(yùn)行，地下水溫度偏高，冷卻塔被迫長期運(yùn)行，系統(tǒng)散熱形式由設(shè)計(jì)時(shí)的以地埋管換熱器為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際運(yùn)行時(shí)的冷卻塔為主，實(shí)際運(yùn)行能效遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值；由于管理不善，系統(tǒng)配套的溫度表、壓力表損壞嚴(yán)重，部分項(xiàng)目水系統(tǒng)冬夏轉(zhuǎn)換閥門泄漏嚴(yán)重，造成系統(tǒng)串水，換熱溫差減小，系統(tǒng)運(yùn)行能效低下。另外，由于地方政策調(diào)整，部分水（冰）蓄冷/蓄熱項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及施工階段有分時(shí)電價(jià)，項(xiàng)目即將投入運(yùn)行時(shí)，分時(shí)電價(jià)被取消，為了降低運(yùn)行費(fèi)用，冰蓄冷/蓄熱系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)并未投入使用，系統(tǒng)在使用時(shí)用戶側(cè)通過板換與機(jī)組冷熱源側(cè)進(jìn)行換熱，這樣一方面造成資源浪費(fèi)，另一方面因?yàn)槎嗔艘患?jí)換熱而降低了空調(diào)系統(tǒng)的能效。


相比于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)難度高，系統(tǒng)復(fù)雜，施工工藝和運(yùn)維要求高，系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的好壞，跟前期勘察、設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)營各個(gè)階段息息相關(guān)，應(yīng)建立一套地源熱泵系統(tǒng)全生命周期的系統(tǒng)管理體系，由專業(yè)隊(duì)伍把控系統(tǒng)從立項(xiàng)到運(yùn)營的各個(gè)環(huán)節(jié)，保障系統(tǒng)真正做到高效節(jié)能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降碳減排的目的。


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