某大廈地源熱泵系統可行性研究

鄭 杰，魏 升

（山東省地礦工程勘察院，山東濟南250014）

1 項目簡介

大廈建筑用地面積8900m2，總建筑面積82500m2，其中地下車庫3層，單層面積為6500m2，地下室總面積為19500m2。建筑采暖供冷面積為63000m2，冷熱源系統需要滿足夏季供冷、冬季供熱的需要。冷熱負荷參考指標如下：冷負荷指標為90W/m2，總冷負荷5670kW；熱負荷指標為50W/m2，總熱負荷3150kW。

2 地層地質結構

根據對地層地質情況初步了解，該項目所在區域地質結構主要以閃長巖和灰巖為主，上部覆蓋較薄層第四系松散土壤，地層含水量較大。0～10m為第四系松散土層，10～35m左右為風化巖地層，35m以下為灰巖。地下水含水量豐富，根據項目周邊水井資料及地質結構分析，單井水量在100m3/h左右，水溫15℃左右。由于地層主要以巖石為主，井水回灌較為容易，單井回灌量可以達到100m3/h左右。同時還需要特別注意的是，該地區屬于趵突泉水保護區，政府對鉆鑿地下水井有嚴格的控制。

3 冷熱源系統設計思路

3.1 系統方案的選擇

根據項目所在區域地層地質條件，本方案可以采用地源熱泵系統或水源熱泵系統作為建筑的冷熱源。但是考慮到本地區為保泉區域，政府對地下水井有嚴格的控制，所以采用地下水地源熱泵不可行。本方案推薦采用地埋管地源熱泵作為建筑的冷熱源。

本項目的總熱負荷為3150kW，總冷負荷為5670kW。通過巖土體熱物性測試獲得，在未進行測試前，換熱孔換熱量如下：單位延米排熱量為65W/m，單位延米取熱量為40W/m。

根據本項目的總冷熱負荷及換熱孔延米換熱量的估計，本項目實際需要的換熱孔數量為882眼，需要埋管用地面積約為17640m2，而本項目實際用地面積約為8900m2，可見單獨采用地埋管地源熱泵系統不能滿足建筑冷熱負荷的要求。

所以本方案采用埋管地源熱泵結合燃氣鍋爐供暖及冷水機組供冷調峰的方式進行冷熱源系統設計。

3.2 系統的配置

3.2.1 地埋管換熱系統取、排熱泵的確定

熱泵機組需要根據埋管換熱系統的換熱量進行配置。根據紅線內給定換熱孔布置區域和換熱孔間距計算，該區域內共可以布置360眼換熱孔。根據換熱孔的熱響應測試得到。單位延米排熱量為65W/m，單位延米取熱量為40W/m。依據換熱孔數量和延米換熱量可以計算得到，埋管換熱系統總排熱量為2808kW，總取熱量為1728kW。

3.2.2 熱泵機組容量計算（見表1）

表1 地埋管地源熱泵運行一覽表

在以上熱泵運行工況下，熱泵機組的制冷效率COP=4.7，制熱效率COP=4.2。以此計算，所選熱泵機組的供熱容量為2268kW，供冷容量為2315kW。

3.2.3 輔助供冷及輔助供熱設備容量計算

由以上計算可以看出，本方案中地埋管地源熱泵系統不能滿足全部冷、熱負荷，需要配置相應的輔助供冷及輔助供熱系統。

采用燃氣鍋爐輔助供熱，根據計算熱泵機組的供熱容量為2268kW，熱泵機組供熱量不足部分由燃氣鍋爐承擔，則燃氣鍋爐的供熱容量為3150kW-2268kW=882kW。

采用冷水機組及冷卻塔輔助供冷，根據計算熱泵機組的供冷容量為2315 kW，熱泵機組供冷量不足部分由冷水機組及冷卻塔承擔，則輔助供冷容量為5670kW-2315kW=3355kW。3.2.4 不同冷熱源比例（見表2）

表2 不同冷熱源比例一覽表

4 投資估算分析（見表3）

初投資估算說明：

（1）以上投資估算為概算指標估算。

（2）初投資估算費用包括：機房內所有設備的購置及安裝；機房內配電、控制柜的制作與安裝；室外地埋管系統的全部施工。

（3）初投資估算費用不包括：機房土建施工費；由變電站至機房配電柜的主電源引入費用；室內末端采購與安裝。

5 技術經濟性簡要分析

5.1 運行費用分析

本項目采用輔助地埋管地源熱泵系統作為建筑的冷熱源系統，根據以上初步計算：冬季，地埋管地源熱泵系統提供主要的供熱量（大約在70%～80%左右）；夏季，地埋管地源熱泵提供的供冷量在50%左右。從運行角度上說，冷熱源系統全年大部分時間是在80%負荷運行，只有少數時間需要開啟輔助冷熱源系統。因此地埋管地源熱泵系統在整個冷熱源系統中起主導作用。所以在運行費用方面，本方案所采用的輔助冷熱源系統相對于常規純地源熱泵系統的運行費用增加幅度不是很大，以下簡要的根據我公司以往的工程經驗給出運行費用估算表（電價暫按0.5元/kWh計算，天然氣價按1.7元/m3算）。

表3 投資估算分析一覽表

冬季運行費用折合每年17元/m2，冬季供熱運行費用為107萬元；夏季運行費用折合每年12元/m2，夏季供冷運行費用為75.6萬元。全年總運行費用為182.6萬元。

5.2 投資回收期分析

對于一般建筑來說，都需要有相應的冷熱源系統提供夏季供冷和冬季供暖。建筑冷熱源系統的方案多種多樣，可以采用常規冷熱源對建筑實現供冷和供熱。以下簡要地分析地源熱泵針對于常規系統投資回收期。

常規系統按照燃氣鍋爐+冷水機組設計，投資費用大約200元/m2，則總投資為1260萬元。

常規系統冬季運行費用為每年30元/m2，冬季總運行費用為189萬元；夏季運行費用為每年14元/m2，夏季總運行費用88.2萬元。則全年總運行費用為277.2萬元（燃氣費用按照1.7元/m3考慮）。見表4。

表4 投資回收期計算一覽表

6 結論

建筑總冷負荷為5670kW，總熱負荷為3150kW。方案采用復合地源熱泵系統作為建筑的冷熱源，由埋管換熱器承擔大部分冷熱負荷，冷負荷不足部分由冷水機組承擔，熱負荷不足部分由燃氣鍋爐承擔。在實際運行中，由于建筑冷熱負荷只有極少數時間處于最大負荷狀態，冷熱源系統在大部分時間內不會以最大容量運行，所以大部分時間內，只要運行埋管地源熱泵系統即可滿足供冷供熱需要，只有少部分時間需要開啟輔助冷源，因此，整個冷熱源系統的運行費用還是會維持在比較低的水平，從運行角度來說具有很好的經濟性。