一、項目基本情況

某文化中心是集大型公益類場館和公寓、酒店為一體的文化產(chǎn)業(yè)集群，總建筑面積約 30 萬㎡，建設(shè)了基于淺層地熱能利用的綠色低碳能源站，項目投資約 7300 萬元。

項目地無集中熱源管網(wǎng)，且地理位置在淺層地熱能利用方面有較好的資源優(yōu)勢，本項目區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)由中粗砂、細砂、粘性土組成，巖土換熱能力較好，鉆孔施工難度較小，淺層地熱能利用條件較適合。為滿足某文化中心全年供暖空調(diào)需求，實現(xiàn)長期高效運行，以淺層地熱能為主作為冷熱源，配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運行過程中地源側(cè)的累計吸、排熱量平衡，建設(shè)了某文化中心可再生能源綠色低碳能源站。

二、供暖面積

某文化中心可再生能源綠色低碳能源站供冷面積22.48萬㎡，供暖面積26.73萬㎡，設(shè)計空調(diào)總冷負荷 19800kW，設(shè)計空調(diào)總熱負荷16200kW，自 2019 年建成投入運行至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、高效。

三、技術(shù)路線及工藝流程

1. 淺層地熱能利用技術(shù)適宜性

地熱能、太陽能及空氣能具有可得性廣、賦存量大的優(yōu)勢，但是太陽能和空氣源的穩(wěn)定性差、能量密度低、環(huán)境適應(yīng)性弱，而大型公共建筑需求的能量密度高、總量大、活躍性強、靈活性要求高，淺層地熱能具備了開發(fā)潛力大、資源量大且具備可再生、無污染、不產(chǎn)生碳排放、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。

通過對多種能源形式對比分析，從政策、投資、運行費用、系統(tǒng)可靠性、技術(shù)先進性、節(jié)能環(huán)保、綠色生態(tài)等各個方面綜合評價，結(jié)合當?shù)卦?a href="http://www.cityofbrews.com/t/淺層.html" >淺層地熱能利用方面有較好的資源優(yōu)勢，以淺層地熱能為主建設(shè)分布式能源站是最經(jīng)濟合理的首選方案：

（1）資源性：本項目區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)由中粗砂、細砂、粘性土組成，巖土換熱能力較好，鉆孔施工難度較小，地埋管地源熱泵應(yīng)用條件較合適。

（2）限制性：該地區(qū)土壤含水層顆粒太細，滲入太差，回灌較困難，一般情況下回灌能力為開采能力的 30～50%。淺層地下水徑流強度不大，含水層滲透系數(shù)約10m，水力坡度約 1～2‰，淺層地下水源熱泵技術(shù)應(yīng)用條件受限。且地下水資源關(guān)系人民基本生活，干系重大，地下水資源保護越來越受到政府重視，綜合技術(shù)適宜性及政策條件等，本項目不適宜采用地下水源熱泵。

（3）適宜性：本項目地溫近似全年平均氣溫，恒溫帶的溫度約為 13.5～15℃，是比較好的低溫熱源，適宜進行冬季供暖和夏季制冷。

（4）靈活性：建設(shè)范圍內(nèi)具備布置鉆孔空間，適宜采用土壤源熱泵技術(shù)。

（5）換熱性：通過熱響應(yīng)試驗測試分析，測試結(jié)果表明項目區(qū)域地源側(cè)換熱性能較好。

（6）穩(wěn)定性：區(qū)域地下水含水量充足且流速高，加速地源側(cè)取放熱量的擴散能力，有利于土壤側(cè)平衡，利于熱泵長期穩(wěn)定運行。

（7）周期性：土壤源熱泵機組為 25 年，地埋管換熱部分為 70 年，較其他空調(diào)系統(tǒng)和供暖設(shè)備的壽命都要長（一般家用空調(diào)的壽命為 8 年，燃氣鍋爐壽命為 10 年）。

2. 淺層地熱能利用技術(shù)應(yīng)用思路

（1）利用淺層地熱能，由集中設(shè)置的能源站作為各個建筑物冷熱源，采用土壤源熱泵系統(tǒng)，滿足該項目全年供暖空調(diào)需求，并配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運行過程中地源側(cè)的累計吸、排熱量平衡，實現(xiàn)長期高效運行。

（2）熱泵機組供回水溫度滿足末端建筑需求，供回水溫度采用大溫差設(shè)計，夏季供冷 6.5/13.5℃，冬季供暖 47/40℃。

（3）配置“四大一小”熱泵機組，可以實現(xiàn)在部分負荷運行時或冬季防凍運行時，仍能處于高效區(qū)。

（4）由于能源站供能半徑較大，阻力較大，因此供能輸配側(cè)及地源側(cè)采用二級泵系統(tǒng)；供能側(cè)及地源側(cè)一、二級泵均采用變頻控制。

（5）在部分負荷運行工況下，根據(jù)冷、熱負荷控制熱泵機組的開啟臺數(shù)；滿足運行調(diào)試階段及低負荷階段運行需求。

（6）冷卻塔冬季為關(guān)閉狀態(tài)，不做使用，夏季制冷時，根據(jù)蒸發(fā)器出水溫度控制地埋管換熱器與冷卻塔的切換。

3. 淺層地熱能利用技術(shù)應(yīng)用特點

（1）采用鴻業(yè)軟件和 TRNSYS 軟件，對設(shè)計負荷和全年動態(tài)逐時負荷進行了詳細的分析計算，并綜合考慮項目各建筑運行時間、使用率、使用環(huán)境參數(shù)等多擾動因素，從而降低了項目裝機容量，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟性。

（2）以全年動態(tài)負荷計算為基礎(chǔ)，根據(jù)熱響應(yīng)試驗結(jié)果，采用 GSLAB 軟件，進行了熱響應(yīng)試驗反算、埋管換熱器設(shè)計計算、全年工況模擬計算和熱平衡分析。以此為依據(jù)進行了能源系統(tǒng)整體配置和埋管側(cè)設(shè)計。

（3）能源中心建設(shè)了智能自控系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括：物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)在線采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、故障識別與報警模塊、節(jié)能數(shù)據(jù)分析模塊、集中優(yōu)化控制策略模塊、前饋控制模塊、傳感器、控制器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等。在各個功能模塊中嵌入系統(tǒng)運行下各工況的工作邏輯，實現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守控制功能。

（4）能源管控平臺充分運用了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、群控技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、現(xiàn)代統(tǒng)計學分析技術(shù)、運籌優(yōu)化技術(shù)等技術(shù)手段，感知、整合、分析、優(yōu)化系統(tǒng)運行的一系列分析方法，實現(xiàn)了能源站空調(diào)系統(tǒng)的微觀管理到宏觀+微觀管理，從局部優(yōu)化到整體優(yōu)化。

四、主要設(shè)備選型

1. 高效能源站地源側(cè)某文化中心建筑的總設(shè)計冷負荷為 19800kW，總設(shè)計熱負荷為 16200kW，地埋管換熱器設(shè)計計算時，累計耗冷耗熱量取保守值，即：累計冷負荷為 1570.6 萬 kWh （內(nèi)熱開，取保守值），累計熱負荷為 2092.2 萬 kWh（內(nèi)熱關(guān)，取保守值）。

確定某文化中心建筑供冷供暖的地源熱泵系統(tǒng)所需的鉆孔總長度取 31.96 萬 m（按制熱工況），即地埋管承擔項目全部熱負荷（設(shè)計熱負荷、累計熱負荷）；地埋管承擔基礎(chǔ)冷負荷，不足冷負荷由輔助冷源承擔。

本項目地埋管換熱器系統(tǒng)采用雙 U 型豎直埋管換熱器，單個埋管換熱器孔深取120m，換熱器間距為 5m×5m，孔徑Ф150mm，室外地埋管換熱器共設(shè)置 2700 個鉆孔。

為了實現(xiàn)有效的水力平衡，采用鉆孔之間同程式并聯(lián)連接，并聯(lián)孔數(shù)根據(jù)布孔區(qū)域不同為 5～8 個，18 個小區(qū)分別設(shè)置一個分集水小室，每個大區(qū)采用枝狀管網(wǎng)連接各個小區(qū)的分集水小室后，進入能源站。其中，有部分小室可利用已有設(shè)計的景觀構(gòu)筑物，直接將分集水器設(shè)置于構(gòu)筑物當中，降低土建施工費用，布置在二期筏板下的地埋管換熱器同程連接后，分集水器設(shè)置在文化中心高地建筑中間連接狹縫中。

2. 高效能源站系統(tǒng)配置

（1）熱泵機組能源站機房設(shè)置 4 臺離心式地源熱泵機組，單臺制冷量 4600kW，單臺制熱量4500kW；1 臺螺桿式地源熱泵機組，單臺制冷量 1614kW，單臺制熱量 1689kW。

（2）輸配系統(tǒng)供能側(cè)及地源側(cè)均采用二級泵系統(tǒng)。為便捷調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)不同地埋管區(qū)域的部分負荷下切換使用，每個大區(qū)對應(yīng) 1 臺地源側(cè)二級泵。本項目中各末端建筑設(shè)計水溫一致，因此供能二級泵集中設(shè)置；為考慮冬夏負荷需求的不同，供能側(cè)及地源側(cè)一、二級泵均采用變頻控制。

3. 高效能源站材料設(shè)備選擇

（1）地埋管材料

地埋管材料好壞關(guān)乎地埋管系統(tǒng)壽命周期和運行可靠性，選用了國內(nèi)一線品牌為專用管件。

（2）主要設(shè)備

地源熱泵系統(tǒng)的主機作為整個地源熱泵系統(tǒng)輸出冷熱量的核心，由于設(shè)備本身價值較高，并且一般主機房安裝空間都有限，一般不設(shè)置備用主機，因此主機的質(zhì)量及能否長期穩(wěn)定安全運行是保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的首要關(guān)鍵點。本項目的主機選擇了技術(shù)成熟、生產(chǎn)工藝先進、維修更換簡單、有長期運行項目支撐的設(shè)備供應(yīng)商。

水泵作為以水為冷熱量載體的空調(diào)系統(tǒng)輸送部件，由于連續(xù)使用特性，一旦損壞同樣也能會造成系統(tǒng)癱瘓，并且水泵能耗約占系統(tǒng)能耗的 20%左右，選擇能效級別高、質(zhì)量過硬的水泵也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。本項目水泵選擇了能效較高的國內(nèi)一線品牌。

五、生產(chǎn)運行情況

某文化中心綠色低碳能源站主要能源消耗為電力。能源站自 2019 年夏季開始運行，供冷季按照每年的 6 月 1 日至 9 月 15 日，供暖季按照每年的 11 月 15 日至次年 3 月 15 日，具體運行時間根據(jù)建筑的實際用能需求進行了適度調(diào)整，全年單位供暖制冷能耗約為 25.80kWh/㎡。

六、項目經(jīng)濟性

自 2019 能源站運行至今，截止 2023 年系統(tǒng)實際運行成本約 17 元/年·㎡，較方案設(shè)計工況下的運行成本降低 41.94%。根據(jù)當?shù)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/政策.html" >政策規(guī)定，免繳供熱配套費約 1000 萬元，按照當?shù)厥姓?a href="http://www.cityofbrews.com/t/供熱.html" >供熱價格和燃氣價格，較“冷水機+市政集中供熱” 降低單位㎡全年運行約17.8 元，每年可節(jié)省運行成本約535 萬元；較“冷水機+燃氣集中供熱” 降低單位㎡全年運行約 24.7 元，每年可節(jié)省運行成本約 740 萬元，有效降低了系統(tǒng)運行成本。

七、環(huán)境及社會效益

高效利用淺層地熱能的土壤源熱泵技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，脫離對燃氣的依賴，主要利用電能可以實現(xiàn)夏季供冷冬季供暖。某文化中心綠色低碳能源站自投入運行以來，節(jié)能減碳效果顯著，每年可節(jié)約標準煤 8057t（等價值），減少二氧化碳排放量21512t，減少二氧化硫排放量 161t，減少氮氧化物排量放 302t，減少煙塵排量放 80t。公司按照“政府主導、市場運作、企業(yè)主體”的原則進行運作，堅持利用綠色生態(tài)節(jié)能減碳技術(shù)，陸續(xù)推出一系列公共建筑類優(yōu)良工程，為社會發(fā)展做出新重要貢獻。

項目屬于社會公益性項目，項目可再生能源供能系統(tǒng)供應(yīng)靈活，提升建筑室內(nèi)舒適度，提升了可再生能源的利用效率，提升了地區(qū)人民的生活品質(zhì)，為廣大群眾提供一個舒適、溫馨的環(huán)境，具有良好廣泛的社會影響，提升了公眾認知，對同類型建筑起到榜樣作用，有利于積極推動當?shù)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/綠色建筑.html" >綠色建筑等政策落地，具有較強的示范意義和社會影響力，有利于全范圍推動建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳工作，助力中國的建筑和城市從綠色節(jié)能，走向“零達峰”和“碳中和”的未來。

八、問題和建議

可再生能源多能互補低碳能源站系統(tǒng)一般由地源熱泵系統(tǒng)、太陽能光熱系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、空氣能系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、高效空調(diào)節(jié)能機組、空調(diào)末端、輔助冷卻塔等組成。與傳統(tǒng)化石能源相比，有數(shù)量大、可再生、環(huán)保、就地取用等優(yōu)勢。系統(tǒng)建設(shè)時，增量投資大約為 10～20%，但在系統(tǒng)使用過程中，運行費用比常規(guī)減少 25～60%左右，大約 3～5 年即可實現(xiàn)投資回收。可再生能源的規(guī)?；?、高質(zhì)量發(fā)展，必然需要通過高性能優(yōu)化設(shè)計、高標準建設(shè)實施、智慧賦能管控能源、暖通系統(tǒng)精準調(diào)適和專業(yè)化節(jié)能運維等應(yīng)用高效節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效推動城市的綠色低碳發(fā)展。