应用于某智慧产业园的地源热泵供能系统设计研究

梁雷欣，陈培，李易泽，陆王琳，许婉婷

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 201100）

0 引言

随着光伏、风电、水电等可再生能源发电装机的持续增加，电力的碳排放因子越来越低[1]。2022 年6 月30日，住房和城乡建设部及国家发改委联合发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》中提到“推动新建公共建筑全面电气化，到2030 年电气化比例达20%”，电气化是推进能源清洁利用、实现碳中和目标的主要途径。而地源热泵具有清洁性、经济效益好、节约能源的特点[2]，可利用电能输入对可再生的浅层地热能加以利用实现清洁供冷、供暖，实现供暖电气化和电能的高效利用，并替传统化石能源生产低品位热量的用能方式。

1 项目概况

本项目所属智慧产业园位于郑州市，园区划分为东西两个地块，东、西地块用地面积分别为4.7 万m2和4.4 万m2，总建筑面积为27 万m2。园区内有9 栋筑物为丙类高层研发厂房和办公建筑，建筑面积为8.4 万m2，具有夏季供冷和冬季供暖的需求，需要满足绿色建筑二星级评价标准。园区将设置以地源热泵为主要供能方式的集中供能系统来满该部分建筑的冬季供热和夏季供冷需求。

1.1 负荷分析

本项目为集中供能项目，负荷的实际情况将受园区用户的入住情况、使用习惯、建筑物特点等影响，也存在负荷逐步增长和同时使用率的问题。负荷的正确预测和选取将对项目的装机、初投资、后续的运行计划和投资收益产生重大影响。拟供能的建筑业态为办公和研发厂房，夏季供能时间为5 月15 日—9 月30 日，冬季供能时间为11 月15 日—次年3 月31 日，日供能时间为8：00—20：00。通过采用广联达开发的建筑性能分析平台软件对其进行冬夏季冷热负荷和全年的供能量模拟，考虑同时使用系数0.85 后，得到夏季冷负荷和冬季热负荷分别为8551kW 和6480kW。典型日的冷热负荷变化如图1 和图2 所示。同时，经模拟得到全年供冷量为6737MW·h，年供热量为4162MW·h。全年逐时冷热负荷变化如图3 所示。

图1 典型日逐时冷负荷变化

图2 典型日逐时热负荷变化

图3 全年逐时冷热负荷变化

1.2 地热资源分析

本项目采用150m 长双U 型De32 PE 管作为换热管，钻井直径为φ140mm，150m 范围内的地层分布为填土、细砂、粉质黏土、中砂、中砂夹黏土和中砂夹砾石，地质条件适合钻机施工。本项目建筑面积大于5000m2，根据规范要求进行了岩土热响应试验。岩土热响应试验结果如表1 所示，冬季设计供回水温度为5/10℃，夏季设计供回水温度为35/30℃。

表1 岩土热响应试验综合结果

根据园区的总平面布置，地埋管换热器布置在东地块和西地块的绿地、停车位和道路下，考虑到场地的实际情况，换热孔的间距按照4.5m 设置。

2 设计方案

2.1 集中供能系统冷热源方案选择

由于园区仅有绿地、停车场和道路等有限空地可用于设置地埋管换热系统，单独设置地源热泵机组无法满足用能建筑的冷热负荷需求。因此，本项目另设置风冷热泵机组和水冷冷水机组辅助地源热泵机组满足用能建筑冷热负荷需求。不同设备容量配比对项目的投资收益产生重大影响，本项目对比了三种设备不同容量比例下的投资收益情况。根据地源热泵厂家提供的设备参数，经过方案经过对比，可发现三个方案的配置均能够满足设计冷、热负荷需求，随着地源热泵装机比例的增加，系统的能效提高出现边际效应，能效并不能线性增加，运行费用不能有效节省，反而由于垂直地埋管部分的费用较高，投资大幅提高，总体造成收益并不显著。经分析，方案二的内部收益率最高，经济性最好，因此，将方案二作为该项目的冷热源方案。供能方案如表2 所示。

表2 供能方案

经过对比选择，本项目集中供能系统由2 台制热量2460kW、制冷量2285kW 的土壤源热泵机组、2 台制冷量1758kW 的螺杆式式冷水机组和4 台制冷量498kW、制热量492kW 的风冷热泵组成，装机总的制热量为6888kW。本项目土壤源热泵机组装机按照冬季吸热量来选取地埋管系统换热井数量。夏季土壤源热泵机组受地埋管释热量的制约无法按照名义制冷量满载制冷（约能提供1730kW/台的制冷量），需开启螺杆式冷水机组和风冷热泵机组制冷，实际装机总的制冷能力为8968kW，装机方案满足设计冷、热负荷。

本项目夏季冷负荷大于冬季热负荷，夏季地源热泵系统将向土壤释放热量，冬季地源热泵将从土壤提取热量，为保证土壤温度保持稳定，需要使土壤放热量和取热量基本相等。根据全年的负荷情况经计算，在地源热泵机组冬夏季均承担基础负荷连续运行，螺杆式冷水机组和风冷热泵调峰运行时，夏季地源热泵系统向土壤释放的热量约为163.4 万kW·h，冬季从土壤中提取的热量约为120.3 万kW·h。若按照该模式运行，土壤温度将不断上升，最终导致的结果均是地下土壤的温度失衡，致使热泵机组的工作能效降低，严重时，将导致热泵机组无法正常运行[3]。为防止地源热泵系统单独运行造成土壤热堆积现象出现，本项目选择的方案二由三种不同的设备构成冷热源系统，不同类型的设备可根据室外气象参数和负荷情况灵活运行。在夏季室外温度较低，冷水机组的能效高于土壤源热泵时，可优先运行冷水机组，将热量排入大气而不是排入土壤，可实现高效运行和减少热堆积。该供能方案在冬季可以利用空气和土壤作为可再生能源进行供冷和供热，实现绿色供能。

2.2 地埋管换热系统设计

地埋管换热器有水平和竖直两种埋管方式。本项目可利用地表面积较少，所以采用竖直埋管方式敷设地埋管换热系统。本项目东、西两个地块共设置621 口换热井，共设置88 个回路，设置室外井室放置二级集、分水器连接各个回路，最终接入集中供能系统站房内一级集、分水器。地源热泵换热器埋地管属于隐蔽工程，其施工具有一次性、不可逆行的特点[4]，因此每个回路中并联换热井的数量不超过8 个，以降低一口换热井泄漏导致整个并联环路均失效的风险。此外，每个回路采用并联同程式的连接方式。由于井室属于地下设施，其造价较高，本项目共设置4 个井室来汇集各个回路。

由于地埋管换热系统先于其他管道施工，而园区内后续将建设大量的雨、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。在设计时，需要处理好地埋管系统与其他地下管道和设施的关系，在地埋管系统低点设置排水井，高点设置放气井，以保证后续运行过程中能够顺利的排气、放水。本项目地埋管水平环路管道埋深一般为2.6～2.8m 深，并设置2‰的坡度。

地埋管换热系统供回水干管设置流量计和温度测点以监测冬夏季地源侧取热量和释热量是否平衡，用于帮助调整冷热源的运行策略。另设置扩散井、背景井和测温井土壤温度监测系统以指导地源热泵机组、风冷热泵机组和冷水机组的运行，实现土壤侧冷热平衡[5]。

2.3 地源侧和负荷侧输配系统设计

地源侧设置3×50%容量的变频水泵满足土壤源热泵的流量和管路阻力要求，各二级集水器干管设置静态平衡阀保证各集、分水器之间的水力平衡。变频水泵根据设置在地埋管机组进水总管上温度进行变频运行。在进水温度低于设定温度时，水泵调低频率，减小流量节能运行。在用户端负荷较大，进水温度高于设定温度时，水泵调高频率，增大流量保证正常机组运。

负荷侧冷冻水供回水温度为7/12℃，空调热水供水温度为45/40℃，供冷和供热管道采用两管制共用一套管路系统。负荷侧输配系统采用4×25%配置的一次泵变流量系统，冷热水循环泵与冷热源设备采用母管制连接，各个冷热源设备设置电动切换阀门以调节设备运行数量。能源站内设置集、分水器连接能源站内主供能管道和各个用能建筑支管路，各回路回水管上设置静态平衡阀，另在供回水干管之间设置电动压差调节阀满足土壤源热泵最低流量运行的需求。负荷侧水泵也将根据供回水干管之间压差变频运行，以保证供回水管的压差恒定。

2.4 其他辅助系统设置

水冷冷水机组配置2×50%定频冷却水泵和2 台循环水处理量为500m3/h 的开式横流式冷却塔。设计进塔水温为37℃，设计出塔水温为32℃。

冷热水循环系统和地源侧换热系统分别设置一套定压补水机组，保证系统压力恒定在设定范围，并能够吸收系统的膨胀水量，防止系统倒空。定压补水装置的定压补水泵均为2×100%容量配置。

为了防止冷热水系统和循环冷却水系统内设备、管阀腐蚀及微生物滋生，在冷热水系统及循环冷却水系统投加缓蚀阻垢剂和杀菌剂联合处理。另设置软化水处理系统进行软化水处理，由软化水箱接入定压补水装置进行系统补水，确保系统正常运行。

3 效益分析

经财务分析，集中供能系统供冷、供热价格分别为0.33 元/（m2·d）和0.28 元/（m2·d），资本金内部收益率可达10.97%，所得税后投资回收期为12.18 年，经济上具有可行性。

本项目集中供能系统的碳排放是由电力产生，供能系统冬季供热耗电量为1160MW·h，电力二氧化碳排放因子为0.5810tCO2/（MW·h），供能系统二氧化碳排放量为673tCO2/年。园区建筑年供热量需求为4162MW·h（14983GJ），外购热力的二氧化碳排放因子为0.11tCO2/GJ，若采用外购热力来满足热负荷需求，则二氧化碳排放量为1648tCO2/年。因此，采用地源热泵和风冷热泵的供热方式有利于减少碳排放，具有很好的环保效益，推广地源热泵系统有利于推动碳达峰、碳中和的目标实现。

4 结语

通过研究分析发现，地源热泵是可再生能源在供热方向的重要应用方式，耦合风冷热泵和水冷冷水机组可实现清洁供冷和供热，在技术和经济上具有可行性，整个系统运行灵活，且有很好的环保效益，有助于碳达峰、碳中和的目标实现。在地源热泵系统设计过程中要做好以下3 点：①方案设计时应对冷热负荷进行模拟分析，确定建筑物的负荷特性，为设备选型打下基础。②要根据项目特点进行多方案比较，对不同方案进行技术和经济分析，选择最优的冷热源配比。③要计算地源热泵的地源侧的冷热平衡，提出解决方案，避免出现冷热堆积影响后续运行效果。