張亞，謝棟輝

（北京市地熱調(diào)查研究所，北京102218）

1 引言

隨著全球生態(tài)環(huán)境、氣候變化和能源危機形勢日益嚴峻，2020 年中央經(jīng)濟工作會議首次將“做好碳達峰、碳中和工作”列為2021 年的重點任務(wù)之一。 以優(yōu)先發(fā)展可再生能源為特征的能源革命也成為必然趨勢。 地熱能、太陽能、風能等可再生能源將逐漸由傳統(tǒng)意義的補充能源轉(zhuǎn)變?yōu)樘娲茉础?主力能源[1]。而在這幾種可再生能源中，地熱能又以不受氣候影響、熱能利用率高、建設(shè)周期短、無污染、不占地面空間等優(yōu)勢廣泛運用于綠色建筑的能源供應(yīng)。 與建筑能源密切相關(guān)的淺層地熱能利用技術(shù)——地源熱泵系統(tǒng)可以替代區(qū)域鍋爐房，2017年全國地源熱泵裝機容量達2 萬MW， 年利用淺層地熱能折合標準煤1 900 萬t，2019 年我國地源熱泵供冷供熱建筑面積達8.4 億m2[2]。本文對以地熱能為主的大型能源站項目實施過程中所遇到的設(shè)計管理情況進行總結(jié)歸納， 為以后類似項目的設(shè)計及管理工作提供參考。

2 以地熱能為主的能源站項目背景

《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》指出，重點在具有供暖制冷雙需求的華北平原、長江經(jīng)濟帶等地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展土壤源熱泵，積極發(fā)展再生水源熱泵，適度發(fā)展地表水源熱泵，擴大淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)模。 《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提道：因地制宜發(fā)展可再生能源，積極推進地熱能供熱制冷。在《北京市“十三五”新能源和可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中提出創(chuàng)建城市副中心行政辦公區(qū)“近零碳排放示范區(qū)”，在行政辦公區(qū)重點打造以地熱能為主， 常規(guī)能源供熱為保障的綠色低碳供熱系統(tǒng)，運用能源運行信息智慧調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)新能源和可再生能源與常規(guī)能源系統(tǒng)的智能耦合運行。 到2020 年，行政辦公區(qū)率先建成“近零碳排放示范區(qū)”，新能源和可再生能源利用比重力爭達到40%以上， 城市副中心整體區(qū)域新能源和可再生能源利用比重力爭達到15%以上[3]。

單一的地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)不同地域的氣候情況末端冷熱需求不能完全保持一致， 同時不同地域的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)也不盡相同、土壤差異較大，故單一的地源熱泵系統(tǒng)長時間運行會出現(xiàn)從土壤中的取熱量與往土壤中排熱量不均導(dǎo)致土壤溫度失衡等問題，也無法實現(xiàn)全過程的供能[4]，從而導(dǎo)致單一的地源熱泵系統(tǒng)隨著時間的延長供能情況越來越差。 復(fù)合式地源熱泵能源站項目建設(shè)順應(yīng)國家改革方向和政策要求， 既可以充分利用地熱能來減少碳排放， 還可避免因冷熱釋放不均而出現(xiàn)的地熱不平衡的問題， 為地源熱泵系統(tǒng)的長期運行及經(jīng)濟性提供保障，同時提高新能源利用效率，加強城市能源保障能力，驅(qū)動潛在需求轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實市場，加快城市可再生能源區(qū)域布局的步伐。

復(fù)合式地源熱泵能源站是在原有的地源熱泵系統(tǒng)上加以輔助設(shè)備（見圖1），如地源熱泵+ 鍋爐、地源熱泵+ 冷水機組、地源熱泵+ 冷水機組+ 水蓄能、地源熱泵+ 太陽能、地源熱泵+ 空氣能熱泵等多種方式，其主要目的在于為用戶帶來更高效、超長使用的效果，如北京城市副中心模式和合肥熱電塘西河模式[5]。 而復(fù)合式地源熱泵能源站的設(shè)計管理對項目各種能源的耦合設(shè)計和實施落地提供了保障，對項目的經(jīng)濟性和減碳量進行綜合把控， 從而避免項目實施中設(shè)計、施工、運營粗放管理，導(dǎo)致項目無法達到理想的節(jié)能效果和供能效果。

圖1 復(fù)合式能源站示意圖

3 復(fù)合式地源熱泵能源站設(shè)計前期規(guī)劃及方案的重點

復(fù)合式地源熱泵能源站項目以安全可靠、節(jié)能、低碳為原則指定能源站方案，充分、合理利用可再生能源，提升可再生能源利用率，減少碳排放。 能源站的方案以地熱能為主、其他能源為補充；充分利用蓄能、能源調(diào)峰技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，平衡項目投資、運行經(jīng)濟性。

3.1 地熱情況的評估與測試

確定采用地熱能之前， 建設(shè)單位需要評估項目所在地的地熱情況，包括淺層、中層和深層的地熱情況，對能源供應(yīng)范圍內(nèi)地質(zhì)條件做巖土熱響應(yīng)試驗，進行鉆孔試驗，確定地埋孔熱物性參數(shù)， 然后根據(jù)具體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和溫度確定項目采用地熱的形式以及能源提供與轉(zhuǎn)化的方式。

3.2 復(fù)合式地源熱泵能源站的規(guī)劃及選址

能源站項目前期勘察和選址應(yīng)全面考慮能源站供應(yīng)范圍內(nèi)建筑性質(zhì)、噪聲、環(huán)境保護等情況，宜設(shè)置在中心位置，但仍需考慮后期運營及檢修的便利性，可以單獨設(shè)站，也可以設(shè)在建筑的地下室。 建設(shè)單位和規(guī)劃單位充分溝通確定能源站的選址，明確選址的優(yōu)缺點。 對于選址導(dǎo)致后續(xù)問題，應(yīng)事先預(yù)判，并協(xié)調(diào)設(shè)計院提出可行性的方案和措施。

3.3 地埋管區(qū)域的規(guī)劃

項目應(yīng)據(jù)測試孔的熱物性參數(shù)確定采用地埋管換熱器類型、孔深、間距和孔徑。 通過對能源站供應(yīng)范圍內(nèi)的負荷估算以及地埋管的參數(shù)，可以確定地埋管的數(shù)量以及需要的面積，然后和園區(qū)規(guī)劃單位協(xié)調(diào)并確定地埋管的區(qū)域， 優(yōu)先考慮設(shè)置在綠地、 道路等下方， 如面積不夠可考慮設(shè)置在建筑物下方，但需要和單體建筑進行緊密配合。

3.4 能源供應(yīng)方案分析及確定

復(fù)合式地源熱泵能源站項目需要根據(jù)多次系統(tǒng)比較和可行性分析，最終確定除地源熱泵為主要冷熱源外，輔助冷熱源的方案以及節(jié)能經(jīng)濟方案， 目前很多項目采用地源熱泵+ 水蓄能/ 冰蓄冷+輔助冷熱源。水蓄能/ 冰蓄冷的“削峰填谷”作用穩(wěn)定了電網(wǎng)，降低了運行成本，提高了系統(tǒng)可靠性；輔助冷熱源作為調(diào)節(jié)地下冷熱平衡的手段， 多種能源形式可提高系統(tǒng)的安全性，平衡地溫場，有效增強系統(tǒng)的經(jīng)濟性。 另外，需要分析地源熱泵的裝機比以提高可再生能源利用率， 滿足區(qū)域的主要冷熱需求。

4 復(fù)合式地源熱泵能源站設(shè)計特點

復(fù)合式地源熱泵能源站項目設(shè)計管理以 《建設(shè)工程勘察設(shè)計管理條例》（2015 年）為基本，在設(shè)計管理過程中，嚴格要求設(shè)計單位按照現(xiàn)行國家、地方、行業(yè)等設(shè)計和施工相關(guān)法規(guī)規(guī)范，以及在設(shè)計合同中關(guān)于項目的功能、目標和需求等進行針對性設(shè)計。

1）與常規(guī)能源站相比，復(fù)合式地源熱泵能源站項目的開發(fā)流程需要增加前期地質(zhì)勘察和室外地埋管這兩個流程，項目在設(shè)計、施工、招標及運營階段需要與不同的設(shè)計單位進行設(shè)計及配合。 一般來說， 復(fù)合式地源熱泵能源站項目須由勘察、建筑、市政等多個設(shè)計資質(zhì)的設(shè)計院來承擔設(shè)計工作。

2） 復(fù)合式地源熱泵能源站項目涉及專業(yè)非常多， 包括暖通、地質(zhì)、給排水、電氣、建筑、結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、市政、園林等專業(yè)，專業(yè)之間的配合很重要，同時因為工期緊的原因，施工單位也很多，另外還涉及整個能源系統(tǒng)的自控施工設(shè)計，形成智慧能源，為后期運營的自動化及經(jīng)濟性提供基礎(chǔ)。

3）復(fù)合式地源熱泵能源站項目設(shè)計范圍大，涵蓋了室外地埋管系統(tǒng)設(shè)計、能源輸配管線系統(tǒng)設(shè)計、能源站設(shè)計等，部分項目可能還需要進行單體二級站的設(shè)計， 且須統(tǒng)籌考慮能源站服務(wù)單體的能源類型。 在設(shè)計管理過程中，復(fù)合式地源熱泵能源站項目的可行性研究報告中確認能源耦合的方式，合理考慮多種能源形式的使用比例以及耦合形式， 設(shè)計中以此為依據(jù)進行下一步設(shè)計方案工作， 設(shè)計方案需要滿足投資的經(jīng)濟性、項目的功能性等要求。

4）地源熱泵采用的是淺層地熱能，屬于可再生能源，大部分均有地方政策補貼，比如，北京市發(fā)展和改革委員會等單位于2019 年制定的《關(guān)于進一步加快熱泵系統(tǒng)應(yīng)用推動清潔供暖的實施意見》中關(guān)于加大政府扶持力度，提到市政府固定資產(chǎn)投資對新建、 改擴建熱泵系統(tǒng)熱源和一次管網(wǎng)投資給予30%的資金支持（投資支持范圍包括：地埋管、再生水、污水取熱裝置及配套設(shè)施，設(shè)備機房，熱泵機組及配套設(shè)施，設(shè)備機房至用戶建筑間一次管網(wǎng)，智能控制及監(jiān)測系統(tǒng)等）；《重慶市可再生能源建筑應(yīng)用示范工程專項補助資金管理暫行辦法》規(guī)定：對利用可再生能源熱泵機組的空調(diào)，按機組額定制冷量每千瓦補貼人民幣800 元； 利用可再生能源提供生活熱水的高溫熱泵機組，按機組額定制熱量每千瓦補貼人民幣900 元。所以， 在確定采用可再生能源設(shè)計前， 需要熟悉各地補貼政策，同時要求設(shè)計的優(yōu)化工作越來越高，以確保投資回收年限以及投資回報率。

5）復(fù)合式地源熱泵能源站系統(tǒng)相較于常規(guī)能源系統(tǒng)，多能耦合系統(tǒng)較復(fù)雜、設(shè)備類型較多、投資較大，為保證最大限度地利用地熱能以及合理利用其他能源，在設(shè)計、施工、自控和運營上需要高標準、嚴要求，設(shè)計管理中確定地熱能的合理使用比例， 才能使設(shè)計的節(jié)能環(huán)保初衷在最后的運營上體現(xiàn)出來。

6）由于能源站供應(yīng)范圍較大，且新項目的建設(shè)有先后，能源站建設(shè)單位應(yīng)要求設(shè)計單位在制訂設(shè)計方案時正確處理近期建設(shè)和遠期儲備的關(guān)系， 尤其是做好后期預(yù)留設(shè)計和進場施工的條件。 同時設(shè)計方案需要具備一定的前瞻性，充分考慮智慧能源的趨勢，預(yù)留升級改造空間。

7）設(shè)計管理中需要設(shè)計考慮能源站供應(yīng)的建筑單體性質(zhì)，充分滿足用戶需求的穩(wěn)定性和復(fù)雜性的同時，也要考慮設(shè)計方案的經(jīng)濟性和合理性。

8）建設(shè)單位應(yīng)做好設(shè)計優(yōu)化工作管理。 在項目實施過程中，因現(xiàn)場環(huán)境、技術(shù)實施的變化，以及設(shè)備采購和后期運營等不斷優(yōu)化，部分設(shè)計需要進行優(yōu)化工作，所以，建設(shè)單位應(yīng)做好設(shè)計優(yōu)化工作，降低投資、工程建設(shè)和運營成本。

5 項目實施中設(shè)計管理重點

一般的建筑類項目設(shè)計內(nèi)容雖不盡相同，但設(shè)計管理一般歸結(jié)于對5 大要素的管理，即設(shè)計的進度管理、設(shè)計質(zhì)量的管理、造價（投資）的管理、設(shè)計變更的管理和設(shè)計合同管理[6]。 復(fù)合式地源熱泵能源站項目除以上5 個要素的管理外，因項目要達到可再生能源利用率、投資回報率等指標，更注重節(jié)能性和后期運維的延續(xù)性，為項目后期的穩(wěn)定運行和盈利打好基礎(chǔ)。

1）建設(shè)單位擬定項目實施進度，組織設(shè)計單位根據(jù)項目進度提供出圖計劃，確保不影響施工進度，并定期檢查設(shè)計進度，如有變化，應(yīng)協(xié)調(diào)設(shè)計單位分析原因，根據(jù)工程進展，及時調(diào)整設(shè)計進度。

2）在項目設(shè)計階段時，建設(shè)單位應(yīng)督促設(shè)計單位與能源站相關(guān)的其他設(shè)計單位或建設(shè)單位積極配合， 了解項目周邊和界面的設(shè)計及建設(shè)情況， 避免與能源需求單位的建設(shè)不一致導(dǎo)致經(jīng)濟損失。

3）項目必須完善設(shè)計審查流程，嚴格執(zhí)行“完成資源評估報告—開展可行性研究報告編制—完成可研審查—開展初步設(shè)計—完成初設(shè)審查—開展施工圖設(shè)計”的設(shè)計編審流程，認真落實各環(huán)節(jié)審查意見[7]。建設(shè)單位根據(jù)項目所在地的圖紙審查要求，安排設(shè)計單位做好施工圖紙內(nèi)外審工作，設(shè)計單位及時按審圖意見進行圖紙修改工作[8]。

4）建設(shè)單位應(yīng)要求設(shè)計單位做好設(shè)備選型工作，并在設(shè)備表中對設(shè)備參數(shù)進行細致說明。 比如在地源熱泵的選型中，設(shè)計院應(yīng)對比多家設(shè)備的參數(shù)，明確設(shè)備在制冷、蓄冷、制熱、蓄熱等工況下的實際參數(shù)， 同時還需要寫明熱泵機組COP值、制冷劑類型、機組參考重量和尺寸、機組噪聲等參數(shù)，所有設(shè)備的參數(shù)不能有唯一性和指向性， 需要滿足招標和現(xiàn)場施工的要求。

5）能源站施工圖紙完成后，建設(shè)單位組織設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位對施工圖設(shè)計文件進行圖紙會審工作，形成圖紙會審記錄，4 方進行簽字確認。同時設(shè)計單位應(yīng)向建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位等單位對設(shè)計目的、施工中的重難點以及項目實施中的注意事項進行交底工作。

6）部分由施工單位或者設(shè)備廠家二次設(shè)計的內(nèi)容，項目建設(shè)單位應(yīng)組織設(shè)計單位進行土建及配套設(shè)施的設(shè)計配合，并在二次設(shè)計圖紙上簽字蓋章確認。

7）項目實施過程中，建設(shè)單位應(yīng)組織設(shè)計單位做好施工配合工作。 在發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙與現(xiàn)場情況不符的地方，應(yīng)協(xié)調(diào)設(shè)計單位、施工單位根據(jù)現(xiàn)場情況共同協(xié)商出解決方案，設(shè)計單位及時進行現(xiàn)場驗收。 如設(shè)計圖紙需要變更，則遵循設(shè)計變更由設(shè)計單位出具，工程洽商由施工單位出具的原則，但根據(jù)項目實施的具體情況，無論是設(shè)計變更還是工程洽商，均需要建設(shè)單位、監(jiān)理單位、設(shè)計單位、施工單位等審批、會簽和蓋章后方可實施，變更或洽商均需要遵循原有的設(shè)計原則，不能降低設(shè)計、施工和使用標準；當項目出現(xiàn)方案性的變化或者大范圍的變化時，建設(shè)單位必須重新組織圖紙會審及設(shè)計交底工作；在設(shè)計變更單簽字蓋章發(fā)放后， 設(shè)計單位應(yīng)整理相關(guān)的電子和紙質(zhì)文件交由建設(shè)單位統(tǒng)一存檔管理。

8）復(fù)合式地源熱泵能源站項目實施完成后，將設(shè)計資料移交給運營團隊，設(shè)計資料包含設(shè)計負荷計算文件、施工設(shè)計圖紙、竣工圖紙（竣工圖紙需要確認是由設(shè)計院還是施工單位繪制）、自控方案及設(shè)計、設(shè)計運行方案等。 運營團隊根據(jù)項目能源實際供應(yīng)的特點，對以上資料進行深化，形成最終的、最節(jié)能的、供能效果最優(yōu)的運行策略。

6 結(jié)語

目前，在“雙碳”目標下，地熱能雖然迎來了巨大發(fā)展，對調(diào)整國家電力結(jié)構(gòu)和加大清潔能源比例起到推進作用， 但在項目投資、建設(shè)和運營過程中，如何做到環(huán)保與經(jīng)濟雙贏是做好設(shè)計管理的根本準則。 地源熱泵技術(shù)使地熱能得以實施，它涉及地質(zhì)、暖通、自控等多個專業(yè)[9]，復(fù)合式地源熱泵能源站項目的設(shè)計管理是一項涉及多專業(yè)多學(xué)科的管理工程， 不僅是建筑項目的管理，更涉及地質(zhì)、投資等方面的管理。 優(yōu)質(zhì)的設(shè)計管理對于節(jié)約項目成本和提高項目收益是非常有效且非常必要的， 對于提高復(fù)合式地源熱泵能源站項目的可再生能源利用率起到重要的作用。