铁路沿线房屋供暖环保改造中地源热泵技术研究

温建平

摘要：作为一种利用可再生能源的空调技术，地源热泵技术因兼具环保、节能、高效的特点成为铁路沿线房屋供暖环保改造的首选。文章简单介绍了地源热泵技术的基本原理和特点，论述了铁路沿线房屋供暖环保改造工程，并对地源热泵技术在工程中的具体应用方案、应用效果进行了进一步探究，希望为铁路沿线房屋供暖环保改造工程的顺利开展提供一些参考。

关键词：铁路;沿线房屋;供暖环保改造;地源热泵技术

前言：

20世纪90年代，我国开始发展地源热泵技术，期间经历了起步期、推广期几个时期，成功突破基础技术瓶颈，如地源热泵暖通空调热堆积现象等，为地源热泵朝着规模化、区域性、热源多元化方向发展提供了充足支持，也为铁路沿线房屋供暖环保改造提供了良好的借鉴。因此，根据铁路沿线房屋供暖环保改造的特殊需求，研究地源热泵技术的应用具有非常重要的意义。

一、地源热泵技术概述

1、原理

地源热泵技术特指以地表水、岩石体、地下水为低温热源，经过水源热泵机组与建筑内部系统、地热能交换系统协同作用向外界输送热源的空调技术。地源热泵技术中的热泵可以通过做功，促使热量由低温介质（大气、地表水、大地或废弃热源）向高温介质流动。冬季可以实现土壤、大气或地下水中热量的“提取”，为室内供应热源[1]。而在夏季，则可以将室内热量“提取”并释放到土壤、大气或地下水中，保证地下温度常年均衡。

2、特点

地源热泵技术具有性能稳定、节能高效、可再生能源利用、投资回报率高等特点。其中性能稳定主要表现为地下温度常年稳定在16℃～22℃之间，摒除室外环境空气温度变化干扰，且主机制冷制热较为稳定;节能高效主要表现为电力能源损耗量一定情况下，提高夏季冷源供应量（或冬季热源供应量），能效比可以达到3.9～6，即在投入1kW电能时，获得热能外围3.9～6kW，且无地埋管热交换器除霜能耗;可再生能源利用主要表现为地表土壤、地下水体或地表水体收集了47.0%太阳辐射能量，通过利用地表土壤、地表水体或地下水体，可以二次开发太阳能;投资回报率高表现为较之传统中央空调系统，地源热泵系统运行费用可降低25%～50%，且可以免费回收夏季热量，满足热水、供暖、供冷需求，投资增量回收期在2.5年～8年左右[2]。

二、铁路沿线房屋供暖环保改造工程

某房屋供暖环保改造工程位于铁路向东列车编组站周边，隶属铁路局建筑、给水与生活段，负责为机车乘务员、客车乘务员接班前或交班后提供休息、餐饮场所，该工程总面积为2562m2，包括45个房间，每个房间内均具有独立卫生间，独立卫生间平均每天接待120名乘务员。该工程具有较为良好的地下水赋水条件，包括周边水域补充水源、天然降雨两种。区域极端最高气温、极端最低气温分别为41.5℃、-9.5℃，最热月平均气温为30.6℃，年平均气温为18.5℃。

工程以往供暖-制冷选2台2.5t/h燃煤锅炉+1台水冷式制冷机组+1台分体式空调机。在地源热泵改造时拟利用1台地源热泵机组同时供暖、制冷、供应热水，取代以往燃煤锅炉、分体式空调、风冷式制冷机组，在降低运行经济资费的同时，减弱对环境的压力。

三、铁路沿线房屋供暖环保改造中地源热泵技术的应用方案

1、流程设计

拟改造建筑以往为传统高能耗、高排放的供暖制冷模式，且在夏季空气温度超30.0℃时，制冷效率较低，同时存在粉尘、二氧化硫、二氧化碳、氮化物排放超标问题。加之铁路沿线发展较快，区域集中供热管网基础建设无法满足工程供暖需求，因此，地源热泵以浅层地热能作为冷源与热源的模式，是适宜拟改造建筑且与国家节能环保政策相符的优良方案[3]。

1）供暖流程

因当前回灌技术不够成熟，采暖初期及末期回灌操作需局部利用换热后地热井。供暖流程如下：

采暖初期及末期需要以吸收式热泵+地热的形式，保证热源供应稳定。但在深冷期，则需利用地热一次尾水，经热力站热泵系统加热升温进入采暖供热管网总供水管，與地热井一次供水混合后对外供应热源[4]。在上述模式中，若实测室外温度超过8℃，选择地热井直供热水;实测室外温度处于2.0～6.0℃之间时，选择地热井直供热水，并开启1台热泵;实测室外温度处于-4.0～1.0℃时，选择地热井直供热水，并开启2台热泵;实测室外温度处于-9.0～-5.0℃或-9.0℃以下时，选择地热井直供热水，并开启3台热泵。制冷流程与制热流程相反。

2）补水定压流程

变量调节方式是热力站热源井系统一次水主要用方式，质调节方式则是采暖循环水系统二次水主要用方式。在整体控制过程中，依据室外温度的变化，可以进行热源井供水量的调控，达到调节采暖循环水供水温度并限制回水温度的目的。其中热远景系统电动流量调节阀受采暖循环水供水温度曲线、室外温度的共同作用，通过将现有阀位、状态向站内控制系统反馈，可以在高温地热水系统与负荷需求存在偏差时，自动启动燃气热泵机组，促使采暖水资源供应系统温度上升并与地热供水管混合完成对外人员供应。

此外，考虑到拟改造工程较为老旧，除了采用ADSL宽带方式建立远程监测系统对热力站各相关参数进行主叫采集外，还需要利用水泥砂浆与耐碱网格布、EPS保温刷奖、石灰水泥砂浆进行建筑外围护结构改造，配合自遮阳系数达0.86的塑钢中空玻璃窗、倒置式屋顶保温本体改造，为地热利用提供良好的条件。

2、建设施工

1）设备选型

对于热负荷指标，可分别设定地源热泵空调系统、建筑总体为80.0W/m2、175.0kW;对于冷负荷指标，可以分别设定地源热泵空调系统、建筑总体为120.0W/m2、255.0kW。依据冷热负荷要求，可以选择COP（供热量与燃气热量比值，燃气热量为燃气热值与燃气耗量乘积）达到或超过4.0，且具有液晶汉显电脑控制器、双螺旋式压缩机、自动喷液超温保护装置、钎焊板式抗腐蚀换热器的地源热泵机组，同时机组输入功率应可随负荷量进行8个等级的自动调节、累计运行时间与故障报警内容可自动记录、进出水温度与环境温度可显示功能。如可选择ZTRB-0.3MW地源热泵机组，其总制冷量、总制热量分别为270kW、286kW，额定输入功率为50kW/61kW。

2）水源式地源热泵

在地源热泵机组冷热源选择水源时，可以在工程内进行1口抽水井、1口灌水井的打设[5]。井直径均为3450mm，深度均为36.0m，保证每小时出水量超过35.0t。同时在井下31.0m位置进行1台深井泵的设置，深井泵额定功率为5.0kW。

在确定施工方案后，可以将卧式侧送风式风管盘管设置在室内末端，在房间进口位置设置送风口与回风口，并进行房间内部的吊顶处理。在室内末端工程结束后，考虑到工程其中一部分应用了太阳能热水器作为热水供应源，因此，具体环保改造时仅考虑锅炉供热水情况。即在机房内，进行保温不锈钢热水箱设置，热水箱容量为2.5t，同时在与空调水隔离的情况下，将1组换热器设置在地源热泵机组冷凝器端，并经循环泵与各房间卫浴装置相连接，促使热泵机组在供应热量的同时满足热水箱热水供应需求。

3）地热耦合式地源热泵

鉴于工程所在地冬季极限最低温适中、夏季极限最高温不高，且供热、制冷时长差距不大，同时当地砂质土壤、含水丰富的特点，可以满足地热耦合管道全部浸泡在水体内部要求，达到良好的换热效果[6]。因此，根据地热耦合井每延米最低换热值80.0W/m的标准，结合砂质土孔洞钻设难度小的特点，可以设定地热耦合井有效深度为120.0m，此时地热耦合管有效长度为18800.0m，垂直地热耦合井数量为42个。根据操作要求，操作者可以选择工程东侧、北侧钻设孔洞，孔洞数量为42个，孔洞直径为φ150mm，孔洞深度为120mm。同时放入42组双U型PE管，选择距离地面1.75m的位置连接为一个整体，连接后送入机房。

在确定施工方案后，出于环保、经济要求，可以沿用以往室内末端设备，如空调系统室内循环管路、风机盘管[7]。在室内末端设备设置完毕后，可以利用2台地源热泵机组，进行一用一备的地热耦合管循环泵以及空调水循环泵的设置，泵功率均为5.5kW。其中循环水泵为变频调速方式的卧式离心泵，效率超80.0%。

3、参数调试

根据铁路沿线房屋供暖环保改造要求，可以设定夏季空调调节计算干球温度、室内计算温度分别为35.6℃、25.0℃[8]。同时设定空气调节室外计算相对湿度、室内计算相对湿度分别为75.0%、74.0%，并调节室外风速为2.7m/s;对于冬季，则设定空调调节计算干球温度、室内计算温度分别为-3.0℃、18.0℃，同时设定空气调节室外计算相对湿度、室内计算相对湿度分别为64.0%、40.0%，并调节室外风速为3.8m/s。

对于热水加热，可以设定热水换热效率为75.0%，热水温度、冷水温度分别为40.0℃、20.0℃，则加热时间为15min。

四、铁路沿线房屋供暖环保改造中地源热泵技术的应用效益

1、使用效果

铁路沿线房屋供暖环保改造中地源热泵技术的使用效果如下：

2、环境效益

以产生1000kcal热量所需要的能源消耗量为例，计算地源热泵与燃煤、燃油、燃气消耗量如下：

由表2所示，燃烧煤、油等石化燃料会产生大量污染物，对生态环境具有较大破坏作用;而燃烧天然气会产生温室气体。但地源热泵仅消耗电能，无污染物产生，具有较为显著的生态环境保护优势。

3、经济效益

以传统冷水机组+市政管网供热模式、中央空调+燃气锅炉为对照，铁路沿线房屋供暖环保改造中地源热泵技术的经济效益如下：

传统冷水机组+市政管网供热、中央空调+燃气锅炉模式中，年运行费用平均为4.3万元，总投资平均值为74.5万元。初期投资时，地源热泵系统与传统模式相差不大，但运行费用较其低60.47%～67.44%，且使用土-气型、水-气型地源热泵系统供暖、制冷的运行费用，分别较传统供热制冷模式降低30%～70%、40%～50%。

总结：

综上所述，地源热泵技术兼具性能稳定、节能高效、可再生能源利用、投资回报率高等优良特征，可以满足铁路沿线房屋供暖环保改造需求。因此，在铁路沿线房屋供暖环保改造过程中，可以引入地源热泵技术，设计地源热泵空调系统。并从室外钻孔、热泵机房设备安装、机房电气安装、空调系统安装几个方面，进行施工作业。在施工作业完成后，工程技术人员可以根据铁路沿线房屋供暖需求，进行参数调试，保证地源热泵技术在房屋供暖环保改造中优势的最大化发挥。

参考文献：

[1]边萌萌，杨灵艳，张昕宇.欧洲地源热泵发展浅析[J].建设科技，2019（02）：73-78.

[2]孙健，马世财，霍成，戈志华，周少祥.碳中和目標下热泵技术应用现状及前景分析[J].华电技术，2021（10）：22-30.

[3]罗佐县，高珊珊，孙庆丰，宫昊.夏热冬冷地区浅层地热能开发利用路径初探[J].当代石油石化，2020（09）：7-14.

[4]刘冲.地源热泵系统在轨道交通地铁车辆基地综合楼工程中的应用分析[J].中国设备工程，2021（18）：207-208.

[5]高微.地源热泵技术在铁路基层站段供暖环保改造中的应用[J].节能与环保，2020（12）：95-96.

[6]周勇，郝日鹏，魏航，李永田.基于吸收式热泵技术的区域清洁供暖研究[J].工业加热，2021（09）：36-40.

[7]杨灵艳，刘宝红.地源热泵在清洁取暖中应用案例分析[J].区域供热，2018（03）：13-21.

[8]王志坤，马安娜，杨双，蔡宁，李浩，徐玲，陈洁.家用静态热泵热水器热损耗标定装置及方法浅析[J].家电科技，2021（05）：145-147.