青島西站空氣源熱泵與地源熱泵聯合運行策略

張宗旺 王愛斌 梅桂金 馮業斐

摘要 為了實現青島西站的科技交通與科學管理，在設計運行中使用了空氣源熱泵與地源熱泵的聯合運行，充分利用自然資源優勢，達到了低碳、節能和環保的效果。實踐證實能源的互補有利于科技的進步和資源的可持續發展。文章以青島西站為例，將空氣源熱泵與地源熱泵聯合運行進行分析，以實現節能環保的能源節約型社會。

關鍵詞 青島西站；地熱源泵；空氣熱源泵；設計

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

0 引言

低碳、節能、環保既是21世紀世界經濟發展的主題，也是我國經濟長期可持續發展的模式。水環熱泵作為一種節能裝置，在工程中應用價值也越來越高。已有學者對水環熱泵空調系統在京津地區單體建筑中的節能性進行了分析研究，結果表明：水環熱泵空調系統在沒有明顯內外區劃分的單體建筑中也具有節能性。青島西能源站重點圍繞站房供能需求，配強冷熱源設備，完善提升供冷供暖效果，全面推進空氣源熱泵與地源熱泵聯合運行工作，現對有關技術要點加以總結。

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，總冷負荷8 213 kW，總熱負荷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 系統總體運行

冬季主要依靠空氣源熱泵系統進行供暖，以地源熱泵系統為輔；夏季實現地源熱泵系統運行的最大化，既能達到供冷要求，又能增加巖土體的蓄熱量[1]。

1.2 空氣源熱泵機組結霜嚴重

空氣源熱泵的性能會隨室外溫度變化而變化。當室外溫度較低時，機組效率下降，甚至無法工作；當室外溫度較低且相對濕度較大時，室外換熱器表面易結霜。后續能源站建設工程建議在布置空氣源熱泵機組時，充分考慮周圍環境對機組進風與排風的影響，確保進風通暢，排風不受阻礙，并應防止進排風氣流產生短路。

1.3 地下土壤冷熱負荷不平衡

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

（2）增大蓄熱體體形系數。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。

2 空調系統設計方案

2.1 項目概況

項目名稱：青島西站地源熱泵系統項目；

建設地點：山東省青島市黃島區海西三路；

建設內容：室外地埋管系統建設和地源熱泵系統機房建設。

2.2 設計依據

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736—2012）；《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366—2009）；《建筑給水排水設計規范》（GB 50015—2003）；《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》（CJJ101—2004）；《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2005）；《通風與空調施工質量驗收規范》（GB 50234—2016）；《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》（GB 50242—2002）；《全國民用建筑工程設計技術措施—暖通空調動力》2009 年版；《城鎮供熱管網設計規范》（CJJ34—2010）；《山東省公共建筑節能設計標準》（DBJ14—036—2006）2006年版；《建筑機電工程抗震設計規范》（GB50981—2014）甲方提供的相關資料。

2.3 設計原則

項目按照以下原則進行系統方案設計[2]：

（1）嚴格貫徹執行國家與行業的法律、法規、政策和標準，選擇優良的技術方案，確定合理的工程造價。

（2）設計時充分考慮主要生產設備的高效性、先進性、成熟性和穩定性。

（3）技術先進性原則，采用先進的設備和行業內先進的技術與管理手段。

（4）環保原則，項目建設過程中認真執行環境保護政策。

2.4 方案設計思路

根據前期現場調研，該項目計劃采用地源熱泵系統，利用現有場地進行布孔和地源熱泵機房的建設，初步考慮室外打孔數量為100口，鉆孔深度120 m/孔，占地面積約1 200 m2，鉆孔位置和數量具體根據現場實際地質條件和布孔面積相應地進行調整，確保后期能夠與之前的系統充分復合，提高系統整體的運行效率，保證系統的可靠性。

2.5 地埋管系統設計

2.5.1 室外換熱系統設計

（1）換熱管材及技術參數。地下換熱系統采用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），具有接口穩定可靠、抗應力開裂性好、耐化學腐蝕性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化使用壽命長（壽命可達70年）等特點。

（2）地埋管延米換熱量分析。經調研在淺層地熱能開發利用范圍內，該地區地質結構以土壤及砂巖為主。根據類似工程經驗，采用雙U型埋管設計經濟技術性較高，因此該項目設計雙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]。

經查詢相關地質資料，根據類似工程經驗，可大致估算出：該項目采用雙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 地源熱泵機房設計

依據室外鉆孔深度及延米換熱量分析計算，該項目地源熱泵系統可提供冷負荷約為530 kW，熱負荷約為672 kW。根據冷熱負荷量，該項目擬配置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組，相關機組技術參數如下：螺桿式地源熱泵機組參數見表1，熱泵機房主要設備表見表2，機房占地面積約為8.4×7.3=62 m2。

2.7 控制系統

考慮需要與原有的能源系統進行復合，在復合處的冷凍水供回水總管、冷卻水供回水總管分別設置相應的溫度傳感、壓力傳感和流量傳感裝置，實時監控各項數據的變化，隨時作出相應的調整，確保地源熱泵系統運行的穩定性以及復合后系統運行的整體穩定性[4]。該工程設置能源站智能云控管理平臺，對地源熱泵機房進行云端控制、集中監視和統一管理。

（1）設備運行監控的功能。對設備進行遠程監控，通過網絡技術和通信技術，將分散在不同地點的設備數據接入到運維管理系統中來，對設備情況、控制系統、采集設備、通信網絡進行檢查和校驗，及時準確地判斷設備的運行情況，實現對設備的搜索、查閱、定位功能和遠程控制、故障診斷、信息反饋功能。

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

（3）遠程運行分析。通過圖形化界面，顯示遠程設備實時數據和運行趨勢；自動監測異常發展趨勢，實現在線分析系統的運行狀態和預警，提供預防性報警、及時故障通知等服務。查詢設備運行的歷史趨勢曲線，進行設備性能分析。

（4）故障遠程預警診斷。系統管理員根據設備運行有關的數據、報警、事件等信息，結合設備特性和專家經驗，可對其進行遠程診斷和故障預警，指導用戶按規定及時對設備進行維護保養、故障處理等。通過對設備的遠程監控，運維管理系統收集了大量的數據，掌握了設備技術狀況的變化和損耗情況，結合設備模型和專家經驗進行分析，準確實現遠程診斷和預警功能。

（5）遠程故障處理。由于綜合能源站智能云控管理平臺存儲了大量的運行數據和設備資料，利用數據分析系統和專家系統，回放設備歷史運行狀況，對設備故障進行復現加以分析診斷，實現遠程故障處理。

（6）海量歷史數據存儲服務。采用大規模、高保真的數據壓縮技術，將大量設備運行的關鍵參數快速及時地傳輸并存儲到遠程中心數據倉庫進行統一的數據管理，實現設備運行周期內運行數據大規模存儲和在線。

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

結合數據采集終端、歷史數據服務器和監測診斷中心，全天候實時監測遠程的大型設備狀態、運行參數和工藝數據，并加以診斷分析，形成運行檔案加以存儲，解決信息孤島，方便、有效地廣泛運用數據，促進大型設備的管理工作。

（8）對賬式服務。實時采集設備的運行數據和能效數據等，對數據進行分析，形成完善的運行日報、月報、季報和年報。通過多種途徑，給用戶進行反饋，讓用戶和設備管理方及時了解運行狀態、設備狀態和能效狀態，保證報告產生的及時性、準確性和可靠性。

（9）系統具有的其他功能。系統具有干預模式：強干預、標準干預和弱干預，用戶可根據項目自行選擇干預模式。一鍵啟停功能：方便用戶對設置好的設備一鍵式啟動與關閉，使用更便捷。

差別控制功能：根據負荷變化特點的差別和冬夏季調節性能的不同采用不同的智能模糊調節模式[5]。

用戶管理功能：對不同用戶具有不同操作權限，權限保護密碼可自行設定。用戶權限分負責人、用戶、操作員三個權限。負責人權限能夠設置系統的所有參數起停設備控制。用戶權限能夠設置系統運行部分參數起停設備控制。操作員權限只能起停設備控制不能改變系統參數。

定時操作功能：根據現場需要可實現每天不少于兩次定時自動開關機，達到無人值守要求。

自動記憶功能：運行過程中電源掉電后自動記憶當前運行參數，恢復供電后自動追蹤斷電前的工作狀態。

防誤操作功能：對錯誤的設定和操作不識別，防止誤操作，造成空調機損壞。

擴展功能：可與系統樓宇控制提供通信接口，實現樓宇集中控制。

數據處理功能：采集系統各項參數，通過智能控制器計算后參與系統設備的控制。

3 運行費用分析

按照夏季年運行90 d，每天24 h，冬季年運行120 d，每天24 h，電價按照0.7元/kWh計算。地源熱泵運行費用分析見表3。

4 合理使用地源熱泵系統

（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 地埋管地源熱泵復合系統補熱

（1）多能互補熱泵系統。當建筑物冷負荷大于熱負荷時，可增設冷卻塔排熱。當建筑物熱負荷大于冷負荷時，可增設燃氣鍋爐供暖。

（2）地源熱泵太陽能系統。熱泵機組+地埋管+太陽能。

（3）有冷凝熱回收的熱泵系統。熱泵系統+地埋管+熱回收。

（4）與其他冷熱源聯合運行的地源熱泵系統。熱泵機組+地埋管、空氣源熱泵。

6 結語

綜上所述，熱泵的種類繁多，各個系統均有利弊，設計應用時應結合當地氣候、地質、建筑物等實際情況多方面考慮，科學選用。隨著國家對可再生能源應用以及建筑節能的不斷重視，青島政府將高度重視熱泵這項技術。隨著技術不斷完善，水平不斷提高，熱泵的使用將保持快速增長趨勢，總量持續增長，熱源類型不斷增加，產業規模持續擴大，市場價格逐漸降低，將會為節能減排事業作出更大貢獻。

參考文獻

[1]康磊， 么旭， 陳穎， 等. 地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析[J]. 環境與可持續發展， 2017（2）： 125-126.

[2]韓宗偉， 王一茹， 阿不來提·依米提， 等. 空氣源熱泵輔助吸收式地源熱泵系統的適用性分析[J]. 制冷技術， 2014（1）： 55-59.

[3]王偉， 南曉紅， 馬俊， 等. 空氣源熱泵與太陽能熱水系統集成設計探討[J]. 制冷與空調， 2011（5）： 438-442.

[4]于齊東. 水環熱泵與空氣源熱泵節能性對比分析[J]. 煤氣與熱力， 2011（6）： 8-11.

[5]張靜波， 吳建兵， 壽煒煒. 上海地區地埋管地源熱泵和空氣源熱泵的節能性分析[J]. 暖通空調， 2011（3）： 102-107.