鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造中地源熱泵技術(shù)研究

溫建平

摘要：作為一種利用可再生能源的空調(diào)技術(shù)，地源熱泵技術(shù)因兼具環(huán)保、節(jié)能、高效的特點成為鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造的首選。文章簡單介紹了地源熱泵技術(shù)的基本原理和特點，論述了鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造工程，并對地源熱泵技術(shù)在工程中的具體應(yīng)用方案、應(yīng)用效果進行了進一步探究，希望為鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造工程的順利開展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：鐵路;沿線房屋;供暖環(huán)保改造;地源熱泵技術(shù)

前言：

20世紀90年代，我國開始發(fā)展地源熱泵技術(shù)，期間經(jīng)歷了起步期、推廣期幾個時期，成功突破基礎(chǔ)技術(shù)瓶頸，如地源熱泵暖通空調(diào)熱堆積現(xiàn)象等，為地源熱泵朝著規(guī)模化、區(qū)域性、熱源多元化方向發(fā)展提供了充足支持，也為鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造提供了良好的借鑒。因此，根據(jù)鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造的特殊需求，研究地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用具有非常重要的意義。

一、地源熱泵技術(shù)概述

1、原理

地源熱泵技術(shù)特指以地表水、巖石體、地下水為低溫?zé)嵩?，?jīng)過水源熱泵機組與建筑內(nèi)部系統(tǒng)、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)協(xié)同作用向外界輸送熱源的空調(diào)技術(shù)。地源熱泵技術(shù)中的熱泵可以通過做功，促使熱量由低溫介質(zhì)（大氣、地表水、大地或廢棄熱源）向高溫介質(zhì)流動。冬季可以實現(xiàn)土壤、大氣或地下水中熱量的“提取”，為室內(nèi)供應(yīng)熱源[1]。而在夏季，則可以將室內(nèi)熱量“提取”并釋放到土壤、大氣或地下水中，保證地下溫度常年均衡。

2、特點

地源熱泵技術(shù)具有性能穩(wěn)定、節(jié)能高效、可再生能源利用、投資回報率高等特點。其中性能穩(wěn)定主要表現(xiàn)為地下溫度常年穩(wěn)定在16℃～22℃之間，摒除室外環(huán)境空氣溫度變化干擾，且主機制冷制熱較為穩(wěn)定;節(jié)能高效主要表現(xiàn)為電力能源損耗量一定情況下，提高夏季冷源供應(yīng)量（或冬季熱源供應(yīng)量），能效比可以達到3.9～6，即在投入1kW電能時，獲得熱能外圍3.9～6kW，且無地埋管熱交換器除霜能耗;可再生能源利用主要表現(xiàn)為地表土壤、地下水體或地表水體收集了47.0%太陽輻射能量，通過利用地表土壤、地表水體或地下水體，可以二次開發(fā)太陽能;投資回報率高表現(xiàn)為較之傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)運行費用可降低25%～50%，且可以免費回收夏季熱量，滿足熱水、供暖、供冷需求，投資增量回收期在2.5年～8年左右[2]。

二、鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造工程

某房屋供暖環(huán)保改造工程位于鐵路向東列車編組站周邊，隸屬鐵路局建筑、給水與生活段，負責(zé)為機車乘務(wù)員、客車乘務(wù)員接班前或交班后提供休息、餐飲場所，該工程總面積為2562m2，包括45個房間，每個房間內(nèi)均具有獨立衛(wèi)生間，獨立衛(wèi)生間平均每天接待120名乘務(wù)員。該工程具有較為良好的地下水賦水條件，包括周邊水域補充水源、天然降雨兩種。區(qū)域極端最高氣溫、極端最低氣溫分別為41.5℃、-9.5℃，最熱月平均氣溫為30.6℃，年平均氣溫為18.5℃。

工程以往供暖-制冷選2臺2.5t/h燃煤鍋爐+1臺水冷式制冷機組+1臺分體式空調(diào)機。在地源熱泵改造時擬利用1臺地源熱泵機組同時供暖、制冷、供應(yīng)熱水，取代以往燃煤鍋爐、分體式空調(diào)、風(fēng)冷式制冷機組，在降低運行經(jīng)濟資費的同時，減弱對環(huán)境的壓力。

三、鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造中地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用方案

1、流程設(shè)計

擬改造建筑以往為傳統(tǒng)高能耗、高排放的供暖制冷模式，且在夏季空氣溫度超30.0℃時，制冷效率較低，同時存在粉塵、二氧化硫、二氧化碳、氮化物排放超標問題。加之鐵路沿線發(fā)展較快，區(qū)域集中供熱管網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)無法滿足工程供暖需求，因此，地源熱泵以淺層地?zé)崮茏鳛槔湓磁c熱源的模式，是適宜擬改造建筑且與國家節(jié)能環(huán)保政策相符的優(yōu)良方案[3]。

1）供暖流程

因當前回灌技術(shù)不夠成熟，采暖初期及末期回灌操作需局部利用換熱后地?zé)峋?。供暖流程如下?/p>

采暖初期及末期需要以吸收式熱泵+地?zé)岬男问剑ＷC熱源供應(yīng)穩(wěn)定。但在深冷期，則需利用地?zé)嵋淮挝菜?，?jīng)熱力站熱泵系統(tǒng)加熱升溫進入采暖供熱管網(wǎng)總供水管，與地?zé)峋淮喂┧旌虾髮ν夤?yīng)熱源[4]。在上述模式中，若實測室外溫度超過8℃，選擇地?zé)峋惫崴?實測室外溫度處于2.0～6.0℃之間時，選擇地?zé)峋惫崴?，并開啟1臺熱泵;實測室外溫度處于-4.0～1.0℃時，選擇地?zé)峋惫崴?，并開啟2臺熱泵;實測室外溫度處于-9.0～-5.0℃或-9.0℃以下時，選擇地?zé)峋惫崴?，并開啟3臺熱泵。制冷流程與制熱流程相反。

2）補水定壓流程

變量調(diào)節(jié)方式是熱力站熱源井系統(tǒng)一次水主要用方式，質(zhì)調(diào)節(jié)方式則是采暖循環(huán)水系統(tǒng)二次水主要用方式。在整體控制過程中，依據(jù)室外溫度的變化，可以進行熱源井供水量的調(diào)控，達到調(diào)節(jié)采暖循環(huán)水供水溫度并限制回水溫度的目的。其中熱遠景系統(tǒng)電動流量調(diào)節(jié)閥受采暖循環(huán)水供水溫度曲線、室外溫度的共同作用，通過將現(xiàn)有閥位、狀態(tài)向站內(nèi)控制系統(tǒng)反饋，可以在高溫地?zé)崴到y(tǒng)與負荷需求存在偏差時，自動啟動燃氣熱泵機組，促使采暖水資源供應(yīng)系統(tǒng)溫度上升并與地?zé)峁┧芑旌贤瓿蓪ν馊藛T供應(yīng)。

此外，考慮到擬改造工程較為老舊，除了采用ADSL寬帶方式建立遠程監(jiān)測系統(tǒng)對熱力站各相關(guān)參數(shù)進行主叫采集外，還需要利用水泥砂漿與耐堿網(wǎng)格布、EPS保溫刷獎、石灰水泥砂漿進行建筑外圍護結(jié)構(gòu)改造，配合自遮陽系數(shù)達0.86的塑鋼中空玻璃窗、倒置式屋頂保溫本體改造，為地?zé)崂锰峁┝己玫臈l件。

2、建設(shè)施工

1）設(shè)備選型

對于熱負荷指標，可分別設(shè)定地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、建筑總體為80.0W/m2、175.0kW;對于冷負荷指標，可以分別設(shè)定地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、建筑總體為120.0W/m2、255.0kW。依據(jù)冷熱負荷要求，可以選擇COP（供熱量與燃氣熱量比值，燃氣熱量為燃氣熱值與燃氣耗量乘積）達到或超過4.0，且具有液晶漢顯電腦控制器、雙螺旋式壓縮機、自動噴液超溫保護裝置、釬焊板式抗腐蝕換熱器的地源熱泵機組，同時機組輸入功率應(yīng)可隨負荷量進行8個等級的自動調(diào)節(jié)、累計運行時間與故障報警內(nèi)容可自動記錄、進出水溫度與環(huán)境溫度可顯示功能。如可選擇ZTRB-0.3MW地源熱泵機組，其總制冷量、總制熱量分別為270kW、286kW，額定輸入功率為50kW/61kW。

2）水源式地源熱泵

在地源熱泵機組冷熱源選擇水源時，可以在工程內(nèi)進行1口抽水井、1口灌水井的打設(shè)[5]。井直徑均為3450mm，深度均為36.0m，保證每小時出水量超過35.0t。同時在井下31.0m位置進行1臺深井泵的設(shè)置，深井泵額定功率為5.0kW。

在確定施工方案后，可以將臥式側(cè)送風(fēng)式風(fēng)管盤管設(shè)置在室內(nèi)末端，在房間進口位置設(shè)置送風(fēng)口與回風(fēng)口，并進行房間內(nèi)部的吊頂處理。在室內(nèi)末端工程結(jié)束后，考慮到工程其中一部分應(yīng)用了太陽能熱水器作為熱水供應(yīng)源，因此，具體環(huán)保改造時僅考慮鍋爐供熱水情況。即在機房內(nèi)，進行保溫不銹鋼熱水箱設(shè)置，熱水箱容量為2.5t，同時在與空調(diào)水隔離的情況下，將1組換熱器設(shè)置在地源熱泵機組冷凝器端，并經(jīng)循環(huán)泵與各房間衛(wèi)浴裝置相連接，促使熱泵機組在供應(yīng)熱量的同時滿足熱水箱熱水供應(yīng)需求。

3）地?zé)狁詈鲜降卦礋岜?/p>

鑒于工程所在地冬季極限最低溫適中、夏季極限最高溫不高，且供熱、制冷時長差距不大，同時當?shù)厣百|(zhì)土壤、含水豐富的特點，可以滿足地?zé)狁詈瞎艿廊拷菰谒w內(nèi)部要求，達到良好的換熱效果[6]。因此，根據(jù)地?zé)狁詈暇垦用鬃畹蛽Q熱值80.0W/m的標準，結(jié)合砂質(zhì)土孔洞鉆設(shè)難度小的特點，可以設(shè)定地?zé)狁詈暇行疃葹?20.0m，此時地?zé)狁詈瞎苡行чL度為18800.0m，垂直地?zé)狁詈暇當?shù)量為42個。根據(jù)操作要求，操作者可以選擇工程東側(cè)、北側(cè)鉆設(shè)孔洞，孔洞數(shù)量為42個，孔洞直徑為φ150mm，孔洞深度為120mm。同時放入42組雙U型PE管，選擇距離地面1.75m的位置連接為一個整體，連接后送入機房。

在確定施工方案后，出于環(huán)保、經(jīng)濟要求，可以沿用以往室內(nèi)末端設(shè)備，如空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)循環(huán)管路、風(fēng)機盤管[7]。在室內(nèi)末端設(shè)備設(shè)置完畢后，可以利用2臺地源熱泵機組，進行一用一備的地?zé)狁詈瞎苎h(huán)泵以及空調(diào)水循環(huán)泵的設(shè)置，泵功率均為5.5kW。其中循環(huán)水泵為變頻調(diào)速方式的臥式離心泵，效率超80.0%。

3、參數(shù)調(diào)試

根據(jù)鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造要求，可以設(shè)定夏季空調(diào)調(diào)節(jié)計算干球溫度、室內(nèi)計算溫度分別為35.6℃、25.0℃[8]。同時設(shè)定空氣調(diào)節(jié)室外計算相對濕度、室內(nèi)計算相對濕度分別為75.0%、74.0%，并調(diào)節(jié)室外風(fēng)速為2.7m/s;對于冬季，則設(shè)定空調(diào)調(diào)節(jié)計算干球溫度、室內(nèi)計算溫度分別為-3.0℃、18.0℃，同時設(shè)定空氣調(diào)節(jié)室外計算相對濕度、室內(nèi)計算相對濕度分別為64.0%、40.0%，并調(diào)節(jié)室外風(fēng)速為3.8m/s。

對于熱水加熱，可以設(shè)定熱水換熱效率為75.0%，熱水溫度、冷水溫度分別為40.0℃、20.0℃，則加熱時間為15min。

四、鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造中地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用效益

1、使用效果

鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造中地源熱泵技術(shù)的使用效果如下：

2、環(huán)境效益

以產(chǎn)生1000kcal熱量所需要的能源消耗量為例，計算地源熱泵與燃煤、燃油、燃氣消耗量如下：

由表2所示，燃燒煤、油等石化燃料會產(chǎn)生大量污染物，對生態(tài)環(huán)境具有較大破壞作用;而燃燒天然氣會產(chǎn)生溫室氣體。但地源熱泵僅消耗電能，無污染物產(chǎn)生，具有較為顯著的生態(tài)環(huán)境保護優(yōu)勢。

3、經(jīng)濟效益

以傳統(tǒng)冷水機組+市政管網(wǎng)供熱模式、中央空調(diào)+燃氣鍋爐為對照，鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造中地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟效益如下：

傳統(tǒng)冷水機組+市政管網(wǎng)供熱、中央空調(diào)+燃氣鍋爐模式中，年運行費用平均為4.3萬元，總投資平均值為74.5萬元。初期投資時，地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)模式相差不大，但運行費用較其低60.47%～67.44%，且使用土-氣型、水-氣型地源熱泵系統(tǒng)供暖、制冷的運行費用，分別較傳統(tǒng)供熱制冷模式降低30%～70%、40%～50%。

總結(jié)：

綜上所述，地源熱泵技術(shù)兼具性能穩(wěn)定、節(jié)能高效、可再生能源利用、投資回報率高等優(yōu)良特征，可以滿足鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造需求。因此，在鐵路沿線房屋供暖環(huán)保改造過程中，可以引入地源熱泵技術(shù)，設(shè)計地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。并從室外鉆孔、熱泵機房設(shè)備安裝、機房電氣安裝、空調(diào)系統(tǒng)安裝幾個方面，進行施工作業(yè)。在施工作業(yè)完成后，工程技術(shù)人員可以根據(jù)鐵路沿線房屋供暖需求，進行參數(shù)調(diào)試，保證地源熱泵技術(shù)在房屋供暖環(huán)保改造中優(yōu)勢的最大化發(fā)揮。

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