應(yīng)用于某智慧產(chǎn)業(yè)園的地源熱泵供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

梁雷欣，陳培，李易澤，陸王琳，許婉婷

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

隨著光伏、風(fēng)電、水電等可再生能源發(fā)電裝機(jī)的持續(xù)增加，電力的碳排放因子越來(lái)越低[1]。2022 年6 月30日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部及國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布的《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》中提到“推動(dòng)新建公共建筑全面電氣化，到2030 年電氣化比例達(dá)20%”，電氣化是推進(jìn)能源清潔利用、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要途徑。而地源熱泵具有清潔性、經(jīng)濟(jì)效益好、節(jié)約能源的特點(diǎn)[2]，可利用電能輸入對(duì)可再生的淺層地?zé)崮芗右岳脤?shí)現(xiàn)清潔供冷、供暖，實(shí)現(xiàn)供暖電氣化和電能的高效利用，并替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源生產(chǎn)低品位熱量的用能方式。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目所屬智慧產(chǎn)業(yè)園位于鄭州市，園區(qū)劃分為東西兩個(gè)地塊，東、西地塊用地面積分別為4.7 萬(wàn)m2和4.4 萬(wàn)m2，總建筑面積為27 萬(wàn)m2。園區(qū)內(nèi)有9 棟筑物為丙類高層研發(fā)廠房和辦公建筑，建筑面積為8.4 萬(wàn)m2，具有夏季供冷和冬季供暖的需求，需要滿足綠色建筑二星級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。園區(qū)將設(shè)置以地源熱泵為主要供能方式的集中供能系統(tǒng)來(lái)滿該部分建筑的冬季供熱和夏季供冷需求。

1.1 負(fù)荷分析

本項(xiàng)目為集中供能項(xiàng)目，負(fù)荷的實(shí)際情況將受園區(qū)用戶的入住情況、使用習(xí)慣、建筑物特點(diǎn)等影響，也存在負(fù)荷逐步增長(zhǎng)和同時(shí)使用率的問題。負(fù)荷的正確預(yù)測(cè)和選取將對(duì)項(xiàng)目的裝機(jī)、初投資、后續(xù)的運(yùn)行計(jì)劃和投資收益產(chǎn)生重大影響。擬供能的建筑業(yè)態(tài)為辦公和研發(fā)廠房，夏季供能時(shí)間為5 月15 日—9 月30 日，冬季供能時(shí)間為11 月15 日—次年3 月31 日，日供能時(shí)間為8：00—20：00。通過采用廣聯(lián)達(dá)開發(fā)的建筑性能分析平臺(tái)軟件對(duì)其進(jìn)行冬夏季冷熱負(fù)荷和全年的供能量模擬，考慮同時(shí)使用系數(shù)0.85 后，得到夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷分別為8551kW 和6480kW。典型日的冷熱負(fù)荷變化如圖1 和圖2 所示。同時(shí)，經(jīng)模擬得到全年供冷量為6737MW·h，年供熱量為4162MW·h。全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷變化如圖3 所示。

圖1 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷變化

圖2 典型日逐時(shí)熱負(fù)荷變化

圖3 全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷變化

1.2 地?zé)豳Y源分析

本項(xiàng)目采用150m 長(zhǎng)雙U 型De32 PE 管作為換熱管，鉆井直徑為φ140mm，150m 范圍內(nèi)的地層分布為填土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂、中砂夾黏土和中砂夾礫石，地質(zhì)條件適合鉆機(jī)施工。本項(xiàng)目建筑面積大于5000m2，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，冬季設(shè)計(jì)供回水溫度為5/10℃，夏季設(shè)計(jì)供回水溫度為35/30℃。

表1 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)綜合結(jié)果

根據(jù)園區(qū)的總平面布置，地埋管換熱器布置在東地塊和西地塊的綠地、停車位和道路下，考慮到場(chǎng)地的實(shí)際情況，換熱孔的間距按照4.5m 設(shè)置。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 集中供能系統(tǒng)冷熱源方案選擇

由于園區(qū)僅有綠地、停車場(chǎng)和道路等有限空地可用于設(shè)置地埋管換熱系統(tǒng)，單獨(dú)設(shè)置地源熱泵機(jī)組無(wú)法滿足用能建筑的冷熱負(fù)荷需求。因此，本項(xiàng)目另設(shè)置風(fēng)冷熱泵機(jī)組和水冷冷水機(jī)組輔助地源熱泵機(jī)組滿足用能建筑冷熱負(fù)荷需求。不同設(shè)備容量配比對(duì)項(xiàng)目的投資收益產(chǎn)生重大影響，本項(xiàng)目對(duì)比了三種設(shè)備不同容量比例下的投資收益情況。根據(jù)地源熱泵廠家提供的設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過方案經(jīng)過對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)三個(gè)方案的配置均能夠滿足設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷需求，隨著地源熱泵裝機(jī)比例的增加，系統(tǒng)的能效提高出現(xiàn)邊際效應(yīng)，能效并不能線性增加，運(yùn)行費(fèi)用不能有效節(jié)省，反而由于垂直地埋管部分的費(fèi)用較高，投資大幅提高，總體造成收益并不顯著。經(jīng)分析，方案二的內(nèi)部收益率最高，經(jīng)濟(jì)性最好，因此，將方案二作為該項(xiàng)目的冷熱源方案。供能方案如表2 所示。

表2 供能方案

經(jīng)過對(duì)比選擇，本項(xiàng)目集中供能系統(tǒng)由2 臺(tái)制熱量2460kW、制冷量2285kW 的土壤源熱泵機(jī)組、2 臺(tái)制冷量1758kW 的螺桿式式冷水機(jī)組和4 臺(tái)制冷量498kW、制熱量492kW 的風(fēng)冷熱泵組成，裝機(jī)總的制熱量為6888kW。本項(xiàng)目土壤源熱泵機(jī)組裝機(jī)按照冬季吸熱量來(lái)選取地埋管系統(tǒng)換熱井?dāng)?shù)量。夏季土壤源熱泵機(jī)組受地埋管釋熱量的制約無(wú)法按照名義制冷量滿載制冷（約能提供1730kW/臺(tái)的制冷量），需開啟螺桿式冷水機(jī)組和風(fēng)冷熱泵機(jī)組制冷，實(shí)際裝機(jī)總的制冷能力為8968kW，裝機(jī)方案滿足設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷。

本項(xiàng)目夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，夏季地源熱泵系統(tǒng)將向土壤釋放熱量，冬季地源熱泵將從土壤提取熱量，為保證土壤溫度保持穩(wěn)定，需要使土壤放熱量和取熱量基本相等。根據(jù)全年的負(fù)荷情況經(jīng)計(jì)算，在地源熱泵機(jī)組冬夏季均承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，螺桿式冷水機(jī)組和風(fēng)冷熱泵調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，夏季地源熱泵系統(tǒng)向土壤釋放的熱量約為163.4 萬(wàn)kW·h，冬季從土壤中提取的熱量約為120.3 萬(wàn)kW·h。若按照該模式運(yùn)行，土壤溫度將不斷上升，最終導(dǎo)致的結(jié)果均是地下土壤的溫度失衡，致使熱泵機(jī)組的工作能效降低，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致熱泵機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行[3]。為防止地源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行造成土壤熱堆積現(xiàn)象出現(xiàn)，本項(xiàng)目選擇的方案二由三種不同的設(shè)備構(gòu)成冷熱源系統(tǒng)，不同類型的設(shè)備可根據(jù)室外氣象參數(shù)和負(fù)荷情況靈活運(yùn)行。在夏季室外溫度較低，冷水機(jī)組的能效高于土壤源熱泵時(shí)，可優(yōu)先運(yùn)行冷水機(jī)組，將熱量排入大氣而不是排入土壤，可實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行和減少熱堆積。該供能方案在冬季可以利用空氣和土壤作為可再生能源進(jìn)行供冷和供熱，實(shí)現(xiàn)綠色供能。

2.2 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地埋管換熱器有水平和豎直兩種埋管方式。本項(xiàng)目可利用地表面積較少，所以采用豎直埋管方式敷設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)。本項(xiàng)目東、西兩個(gè)地塊共設(shè)置621 口換熱井，共設(shè)置88 個(gè)回路，設(shè)置室外井室放置二級(jí)集、分水器連接各個(gè)回路，最終接入集中供能系統(tǒng)站房?jī)?nèi)一級(jí)集、分水器。地源熱泵換熱器埋地管屬于隱蔽工程，其施工具有一次性、不可逆行的特點(diǎn)[4]，因此每個(gè)回路中并聯(lián)換熱井的數(shù)量不超過8 個(gè)，以降低一口換熱井泄漏導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)環(huán)路均失效的風(fēng)險(xiǎn)。此外，每個(gè)回路采用并聯(lián)同程式的連接方式。由于井室屬于地下設(shè)施，其造價(jià)較高，本項(xiàng)目共設(shè)置4 個(gè)井室來(lái)匯集各個(gè)回路。

由于地埋管換熱系統(tǒng)先于其他管道施工，而園區(qū)內(nèi)后續(xù)將建設(shè)大量的雨、污水重力自流管道，地埋管水平管道的埋深一般低于其他管道0.5m。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要處理好地埋管系統(tǒng)與其他地下管道和設(shè)施的關(guān)系，在地埋管系統(tǒng)低點(diǎn)設(shè)置排水井，高點(diǎn)設(shè)置放氣井，以保證后續(xù)運(yùn)行過程中能夠順利的排氣、放水。本項(xiàng)目地埋管水平環(huán)路管道埋深一般為2.6～2.8m 深，并設(shè)置2‰的坡度。

地埋管換熱系統(tǒng)供回水干管設(shè)置流量計(jì)和溫度測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)冬夏季地源側(cè)取熱量和釋熱量是否平衡，用于幫助調(diào)整冷熱源的運(yùn)行策略。另設(shè)置擴(kuò)散井、背景井和測(cè)溫井土壤溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以指導(dǎo)地源熱泵機(jī)組、風(fēng)冷熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)土壤側(cè)冷熱平衡[5]。

2.3 地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地源側(cè)設(shè)置3×50%容量的變頻水泵滿足土壤源熱泵的流量和管路阻力要求，各二級(jí)集水器干管設(shè)置靜態(tài)平衡閥保證各集、分水器之間的水力平衡。變頻水泵根據(jù)設(shè)置在地埋管機(jī)組進(jìn)水總管上溫度進(jìn)行變頻運(yùn)行。在進(jìn)水溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，水泵調(diào)低頻率，減小流量節(jié)能運(yùn)行。在用戶端負(fù)荷較大，進(jìn)水溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，水泵調(diào)高頻率，增大流量保證正常機(jī)組運(yùn)。

負(fù)荷側(cè)冷凍水供回水溫度為7/12℃，空調(diào)熱水供水溫度為45/40℃，供冷和供熱管道采用兩管制共用一套管路系統(tǒng)。負(fù)荷側(cè)輸配系統(tǒng)采用4×25%配置的一次泵變流量系統(tǒng)，冷熱水循環(huán)泵與冷熱源設(shè)備采用母管制連接，各個(gè)冷熱源設(shè)備設(shè)置電動(dòng)切換閥門以調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行數(shù)量。能源站內(nèi)設(shè)置集、分水器連接能源站內(nèi)主供能管道和各個(gè)用能建筑支管路，各回路回水管上設(shè)置靜態(tài)平衡閥，另在供回水干管之間設(shè)置電動(dòng)壓差調(diào)節(jié)閥滿足土壤源熱泵最低流量運(yùn)行的需求。負(fù)荷側(cè)水泵也將根據(jù)供回水干管之間壓差變頻運(yùn)行，以保證供回水管的壓差恒定。

2.4 其他輔助系統(tǒng)設(shè)置

水冷冷水機(jī)組配置2×50%定頻冷卻水泵和2 臺(tái)循環(huán)水處理量為500m3/h 的開式橫流式冷卻塔。設(shè)計(jì)進(jìn)塔水溫為37℃，設(shè)計(jì)出塔水溫為32℃。

冷熱水循環(huán)系統(tǒng)和地源側(cè)換熱系統(tǒng)分別設(shè)置一套定壓補(bǔ)水機(jī)組，保證系統(tǒng)壓力恒定在設(shè)定范圍，并能夠吸收系統(tǒng)的膨脹水量，防止系統(tǒng)倒空。定壓補(bǔ)水裝置的定壓補(bǔ)水泵均為2×100%容量配置。

為了防止冷熱水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、管閥腐蝕及微生物滋生，在冷熱水系統(tǒng)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)投加緩蝕阻垢劑和殺菌劑聯(lián)合處理。另設(shè)置軟化水處理系統(tǒng)進(jìn)行軟化水處理，由軟化水箱接入定壓補(bǔ)水裝置進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)水，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 效益分析

經(jīng)財(cái)務(wù)分析，集中供能系統(tǒng)供冷、供熱價(jià)格分別為0.33 元/（m2·d）和0.28 元/（m2·d），資本金內(nèi)部收益率可達(dá)10.97%，所得稅后投資回收期為12.18 年，經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

本項(xiàng)目集中供能系統(tǒng)的碳排放是由電力產(chǎn)生，供能系統(tǒng)冬季供熱耗電量為1160MW·h，電力二氧化碳排放因子為0.5810tCO2/（MW·h），供能系統(tǒng)二氧化碳排放量為673tCO2/年。園區(qū)建筑年供熱量需求為4162MW·h（14983GJ），外購(gòu)熱力的二氧化碳排放因子為0.11tCO2/GJ，若采用外購(gòu)熱力來(lái)滿足熱負(fù)荷需求，則二氧化碳排放量為1648tCO2/年。因此，采用地源熱泵和風(fēng)冷熱泵的供熱方式有利于減少碳排放，具有很好的環(huán)保效益，推廣地源熱泵系統(tǒng)有利于推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，地源熱泵是可再生能源在供熱方向的重要應(yīng)用方式，耦合風(fēng)冷熱泵和水冷冷水機(jī)組可實(shí)現(xiàn)清潔供冷和供熱，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有可行性，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行靈活，且有很好的環(huán)保效益，有助于碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要做好以下3 點(diǎn)：①方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)冷熱負(fù)荷進(jìn)行模擬分析，確定建筑物的負(fù)荷特性，為設(shè)備選型打下基礎(chǔ)。②要根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行多方案比較，對(duì)不同方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，選擇最優(yōu)的冷熱源配比。③要計(jì)算地源熱泵的地源側(cè)的冷熱平衡，提出解決方案，避免出現(xiàn)冷熱堆積影響后續(xù)運(yùn)行效果。