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)電裝機的持續(xù)增加，電力的碳排放因子越來越低[1]。2022 年6 月30日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部及國家發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布的《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》中提到“推動新建公共建筑全面電氣化，到2030 年電氣化比例達20%”，電氣化是推進能源清潔利用、實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要途徑。而地源熱泵具有清潔性、經(jīng)濟效益好、節(jié)約能源的特點[2]，可利用電能輸入對可再生的淺層地?zé)崮芗右岳脤崿F(xiàn)清潔供冷、供暖，實現(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 項目概況

本項目所屬智慧產(chǎn)業(yè)園位于鄭州市，園區(qū)劃分為東西兩個地塊，東、西地塊用地面積分別為4.7 萬m2和4.4 萬m2，總建筑面積為27 萬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評價標(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)來滿該部分建筑的冬季供熱和夏季供冷需求。

1.1 負荷分析

本項目為集中供能項目，負荷的實際情況將受園區(qū)用戶的入住情況、使用習(xí)慣、建筑物特點等影響，也存在負荷逐步增長和同時使用率的問題。負荷的正確預(yù)測和選取將對項目的裝機、初投資、后續(xù)的運行計劃和投資收益產(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，夏季供能時間為5 月15 日—9 月30 日，冬季供能時間為11 月15 日—次年3 月31 日，日供能時間為8：00—20：00。通過采用廣聯(lián)達開發(fā)的建筑性能分析平臺軟件對其進行冬夏季冷熱負荷和全年的供能量模擬，考慮同時使用系數(shù)0.85 后，得到夏季冷負荷和冬季熱負荷分別為8551kW 和6480kW。典型日的冷熱負荷變化如圖1 和圖2 所示。同時，經(jīng)模擬得到全年供冷量為6737MW·h，年供熱量為4162MW·h。全年逐時冷熱負荷變化如圖3 所示。

圖1 典型日逐時冷負荷變化

圖2 典型日逐時熱負荷變化

圖3 全年逐時冷熱負荷變化

1.2 地?zé)豳Y源分析

本項目采用150m 長雙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)條件適合鉆機施工。本項目建筑面積大于5000m2，根據(jù)規(guī)范要求進行了巖土熱響應(yīng)試驗。巖土熱響應(yīng)試驗結(jié)果如表1 所示，冬季設(shè)計供回水溫度為5/10℃，夏季設(shè)計供回水溫度為35/30℃。

表1 巖土熱響應(yīng)試驗綜合結(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，考慮到場地的實際情況，換熱孔的間距按照4.5m 設(shè)置。

2 設(shè)計方案

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、停車場和道路等有限空地可用于設(shè)置地埋管換熱系統(tǒng)，單獨設(shè)置地源熱泵機組無法滿足用能建筑的冷熱負荷需求。因此，本項目另設(shè)置風(fēng)冷熱泵機組和水冷冷水機組輔助地源熱泵機組滿足用能建筑冷熱負荷需求。不同設(shè)備容量配比對項目的投資收益產(chǎn)生重大影響，本項目對比了三種設(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)過對比，可發(fā)現(xiàn)三個方案的配置均能夠滿足設(shè)計冷、熱負荷需求，隨著地源熱泵裝機比例的增加，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，運行費用不能有效節(jié)省，反而由于垂直地埋管部分的費用較高，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)濟性最好，因此，將方案二作為該項目的冷熱源方案。供能方案如表2 所示。

表2 供能方案

經(jīng)過對比選擇，本項目集中供能系統(tǒng)由2 臺制熱量2460kW、制冷量2285kW 的土壤源熱泵機組、2 臺制冷量1758kW 的螺桿式式冷水機組和4 臺制冷量498kW、制熱量492kW 的風(fēng)冷熱泵組成，裝機總的制熱量為6888kW。本項目土壤源熱泵機組裝機按照冬季吸熱量來選取地埋管系統(tǒng)換熱井?dāng)?shù)量。夏季土壤源熱泵機組受地埋管釋熱量的制約無法按照名義制冷量滿載制冷（約能提供1730kW/臺的制冷量），需開啟螺桿式冷水機組和風(fēng)冷熱泵機組制冷，實際裝機總的制冷能力為8968kW，裝機方案滿足設(shè)計冷、熱負荷。

本項目夏季冷負荷大于冬季熱負荷，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)全年的負荷情況經(jīng)計算，在地源熱泵機組冬夏季均承擔(dān)基礎(chǔ)負荷連續(xù)運行，螺桿式冷水機組和風(fēng)冷熱泵調(diào)峰運行時，夏季地源熱泵系統(tǒng)向土壤釋放的熱量約為163.4 萬kW·h，冬季從土壤中提取的熱量約為120.3 萬kW·h。若按照該模式運行，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，致使熱泵機組的工作能效降低，嚴重時，將導(dǎo)致熱泵機組無法正常運行[3]。為防止地源熱泵系統(tǒng)單獨運行造成土壤熱堆積現(xiàn)象出現(xiàn)，本項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)和負荷情況靈活運行。在夏季室外溫度較低，冷水機組的能效高于土壤源熱泵時，可優(yōu)先運行冷水機組，將熱量排入大氣而不是排入土壤，可實現(xiàn)高效運行和減少熱堆積。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行供冷和供熱，實現(xiàn)綠色供能。

2.2 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計

地埋管換熱器有水平和豎直兩種埋管方式。本項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)。本項目東、西兩個地塊共設(shè)置621 口換熱井，共設(shè)置88 個回路，設(shè)置室外井室放置二級集、分水器連接各個回路，最終接入集中供能系統(tǒng)站房內(nèi)一級集、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[4]，因此每個回路中并聯(lián)換熱井的數(shù)量不超過8 個，以降低一口換熱井泄漏導(dǎo)致整個并聯(lián)環(huán)路均失效的風(fēng)險。此外，每個回路采用并聯(lián)同程式的連接方式。由于井室屬于地下設(shè)施，其造價較高，本項目共設(shè)置4 個井室來匯集各個回路。

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)計時，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)低點設(shè)置排水井，高點設(shè)置放氣井，以保證后續(xù)運行過程中能夠順利的排氣、放水。本項目地埋管水平環(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)置流量計和溫度測點以監(jiān)測冬夏季地源側(cè)取熱量和釋熱量是否平衡，用于幫助調(diào)整冷熱源的運行策略。另設(shè)置擴散井、背景井和測溫井土壤溫度監(jiān)測系統(tǒng)以指導(dǎo)地源熱泵機組、風(fēng)冷熱泵機組和冷水機組的運行，實現(xiàn)土壤側(cè)冷熱平衡[5]。

2.3 地源側(cè)和負荷側(cè)輸配系統(tǒng)設(shè)計

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)置在地埋管機組進水總管上溫度進行變頻運行。在進水溫度低于設(shè)定溫度時，水泵調(diào)低頻率，減小流量節(jié)能運行。在用戶端負荷較大，進水溫度高于設(shè)定溫度時，水泵調(diào)高頻率，增大流量保證正常機組運。

負荷側(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，各個冷熱源設(shè)備設(shè)置電動切換閥門以調(diào)節(jié)設(shè)備運行數(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)置電動壓差調(diào)節(jié)閥滿足土壤源熱泵最低流量運行的需求。負荷側(cè)水泵也將根據(jù)供回水干管之間壓差變頻運行，以保證供回水管的壓差恒定。

2.4 其他輔助系統(tǒng)設(shè)置

水冷冷水機組配置2×50%定頻冷卻水泵和2 臺循環(huán)水處理量為500m3/h 的開式橫流式冷卻塔。設(shè)計進塔水溫為37℃，設(shè)計出塔水溫為32℃。

冷熱水循環(huán)系統(tǒng)和地源側(cè)換熱系統(tǒng)分別設(shè)置一套定壓補水機組，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。定壓補水裝置的定壓補水泵均為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)進行軟化水處理，由軟化水箱接入定壓補水裝置進行系統(tǒng)補水，確保系統(tǒng)正常運行。

3 效益分析

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

本項目集中供能系統(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），外購熱力的二氧化碳排放因子為0.11tCO2/GJ，若采用外購熱力來滿足熱負荷需求，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)有利于推動碳達峰、碳中和的目標(biāo)實現(xiàn)。

4 結(jié)語

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組可實現(xiàn)清潔供冷和供熱，在技術(shù)和經(jīng)濟上具有可行性，整個系統(tǒng)運行靈活，且有很好的環(huán)保效益，有助于碳達峰、碳中和的目標(biāo)實現(xiàn)。在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計過程中要做好以下3 點：①方案設(shè)計時應(yīng)對冷熱負荷進行模擬分析，確定建筑物的負荷特性，為設(shè)備選型打下基礎(chǔ)。②要根據(jù)項目特點進行多方案比較，對不同方案進行技術(shù)和經(jīng)濟分析，選擇最優(yōu)的冷熱源配比。③要計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)運行效果。