一、項(xiàng)目基本情況

某文化中心是集大型公益類場(chǎng)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(wàn)㎡，建設(shè)了基于淺層地?zé)崮芾?/a>的綠色低碳能源站，項(xiàng)目投資約 7300 萬(wàn)元。

項(xiàng)目地?zé)o集中熱源管網(wǎng)，且地理位置在淺層地?zé)崮芾?/a>方面有較好的資源優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)由中粗砂、細(xì)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?zé)崮芾?/a>條件較適合。為滿足某文化中心全年供暖空調(diào)需求，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效運(yùn)行，以淺層地?zé)崮?/a>為主作為冷熱源，配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運(yùn)行過(guò)程中地源側(cè)的累計(jì)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(wàn)㎡，供暖面積26.73萬(wàn)㎡，設(shè)計(jì)空調(diào)總冷負(fù)荷 19800kW，設(shè)計(jì)空調(diào)總熱負(fù)荷16200kW，自 2019 年建成投入運(yùn)行至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全、高效。

三、技術(shù)路線及工藝流程

1. 淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)適宜性

地?zé)崮?/a>、太陽(yáng)能及空氣能具有可得性廣、賦存量大的優(yōu)勢(shì)，但是太陽(yáng)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(qiáng)、靈活性要求高，淺層地?zé)崮?/a>具備了開(kāi)發(fā)潛力大、資源量大且具備可再生、無(wú)污染、不產(chǎn)生碳排放、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)多種能源形式對(duì)比分析，從政策、投資、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、節(jié)能環(huán)保、綠色生態(tài)等各個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合當(dāng)?shù)卦?a href="http://www.edat.com.cn/t/淺層.html" >淺層地?zé)崮芾?/a>方面有較好的資源優(yōu)勢(shì)，以淺層地?zé)?/a>能為主建設(shè)分布式能源站是最經(jīng)濟(jì)合理的首選方案：

（1）資源性：本項(xiàng)目區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)由中粗砂、細(xì)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(xì)，滲入太差，回灌較困難，一般情況下回灌能力為開(kāi)采能力的 30～50%。淺層地下水徑流強(qiáng)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(hù)越來(lái)越受到政府重視，綜合技術(shù)適宜性及政策條件等，本項(xiàng)目不適宜采用地下水源熱泵。

（3）適宜性：本項(xiàng)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(jìn)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(guò)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果表明項(xiàng)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(kuò)散能力，有利于土壤側(cè)平衡，利于熱泵長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）周期性：土壤源熱泵機(jī)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(zhǎng)（一般家用空調(diào)的壽命為 8 年，燃?xì)忮仩t壽命為 10 年）。

2. 淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)應(yīng)用思路

（1）利用淺層地?zé)?/a>能，由集中設(shè)置的能源站作為各個(gè)建筑物冷熱源，采用土壤源熱泵系統(tǒng)，滿足該項(xiàng)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(yùn)行過(guò)程中地源側(cè)的累計(jì)吸、排熱量平衡，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

（2）熱泵機(jī)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(jì)，夏季供冷 6.5/13.5℃，冬季供暖 47/40℃。

（3）配置“四大一小”熱泵機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)或冬季防凍運(yùn)行時(shí)，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(jí)泵系統(tǒng)；供能側(cè)及地源側(cè)一、二級(jí)泵均采用變頻控制。

（5）在部分負(fù)荷運(yùn)行工況下，根據(jù)冷、熱負(fù)荷控制熱泵機(jī)組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)；滿足運(yùn)行調(diào)試階段及低負(fù)荷階段運(yùn)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(shí)，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(diǎn)

（1）采用鴻業(yè)軟件和 TRNSYS 軟件，對(duì)設(shè)計(jì)負(fù)荷和全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，并綜合考慮項(xiàng)目各建筑運(yùn)行時(shí)間、使用率、使用環(huán)境參數(shù)等多擾動(dòng)因素，從而降低了項(xiàng)目裝機(jī)容量，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

（2）以全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算為基礎(chǔ)，根據(jù)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，采用 GSLAB 軟件，進(jìn)行了熱響應(yīng)試驗(yàn)反算、埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算、全年工況模擬計(jì)算和熱平衡分析。以此為依據(jù)進(jìn)行了能源系統(tǒng)整體配置和埋管側(cè)設(shè)計(jì)。

（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(cè)模塊、數(shù)據(jù)在線采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、故障識(shí)別與報(bào)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(gè)功能模塊中嵌入系統(tǒng)運(yùn)行下各工況的工作邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)人值守控制功能。

（4）能源管控平臺(tái)充分運(yùn)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(jì)學(xué)分析技術(shù)、運(yùn)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(yùn)行的一系列分析方法，實(shí)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?jī)?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(jì)冷負(fù)荷為 19800kW，總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為 16200kW，地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，累計(jì)耗冷耗熱量取保守值，即：累計(jì)冷負(fù)荷為 1570.6 萬(wàn) kWh （內(nèi)熱開(kāi)，取保守值），累計(jì)熱負(fù)荷為 2092.2 萬(wàn) 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(zhǎng)度取 31.96 萬(wàn) m（按制熱工況），即地埋管承擔(dān)項(xiàng)目全部熱負(fù)荷（設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、累計(jì)熱負(fù)荷）；地埋管承擔(dān)基礎(chǔ)冷負(fù)荷，不足冷負(fù)荷由輔助冷源承擔(dān)。

本項(xiàng)目地埋管換熱器系統(tǒng)采用雙 U 型豎直埋管換熱器，單個(gè)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(gè)鉆孔。

為了實(shí)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(gè)，18 個(gè)小區(qū)分別設(shè)置一個(gè)分集水小室，每個(gè)大區(qū)采用枝狀管網(wǎng)連接各個(gè)小區(qū)的分集水小室后，進(jìn)入能源站。其中，有部分小室可利用已有設(shè)計(jì)的景觀構(gòu)筑物，直接將分集水器設(shè)置于構(gòu)筑物當(dāng)中，降低土建施工費(fèi)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(jī)組能源站機(jī)房設(shè)置 4 臺(tái)離心式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量 4600kW，單臺(tái)制熱量4500kW；1 臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量 1614kW，單臺(tái)制熱量 1689kW。

（2）輸配系統(tǒng)供能側(cè)及地源側(cè)均采用二級(jí)泵系統(tǒng)。為便捷調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)不同地埋管區(qū)域的部分負(fù)荷下切換使用，每個(gè)大區(qū)對(duì)應(yīng) 1 臺(tái)地源側(cè)二級(jí)泵。本項(xiàng)目中各末端建筑設(shè)計(jì)水溫一致，因此供能二級(jí)泵集中設(shè)置；為考慮冬夏負(fù)荷需求的不同，供能側(cè)及地源側(cè)一、二級(jí)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(yùn)行可靠性，選用了國(guó)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(jī)作為整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)輸出冷熱量的核心，由于設(shè)備本身價(jià)值較高，并且一般主機(jī)房安裝空間都有限，一般不設(shè)置備用主機(jī)，因此主機(jī)的質(zhì)量及能否長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的首要關(guān)鍵點(diǎn)。本項(xiàng)目的主機(jī)選擇了技術(shù)成熟、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、維修更換簡(jiǎn)單、有長(zhǎng)期運(yùn)行項(xiàng)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(huì)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(jí)別高、質(zhì)量過(guò)硬的水泵也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本項(xiàng)目水泵選擇了能效較高的國(guó)內(nèi)一線品牌。

五、生產(chǎn)運(yùn)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(kāi)始運(yùn)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(yùn)行時(shí)間根據(jù)建筑的實(shí)際用能需求進(jìn)行了適度調(diào)整，全年單位供暖制冷能耗約為 25.80kWh/㎡。

六、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性

自 2019 能源站運(yùn)行至今，截止 2023 年系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行成本約 17 元/年·㎡，較方案設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行成本降低 41.94%。根據(jù)當(dāng)?shù)?a href="http://www.edat.com.cn/t/政策.html" >政策規(guī)定，免繳供熱配套費(fèi)約 1000 萬(wàn)元，按照當(dāng)?shù)厥姓?a href="http://www.edat.com.cn/t/供熱.html" >供熱價(jià)格和燃?xì)鈨r(jià)格，較“冷水機(jī)+市政集中供熱” 降低單位㎡全年運(yùn)行約17.8 元，每年可節(jié)省運(yùn)行成本約535 萬(wàn)元；較“冷水機(jī)+燃?xì)?a href="http://www.edat.com.cn/t/集中供熱.html" >集中供熱” 降低單位㎡全年運(yùn)行約 24.7 元，每年可節(jié)省運(yùn)行成本約 740 萬(wàn)元，有效降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

七、環(huán)境及社會(huì)效益

高效利用淺層地?zé)崮?/a>的土壤源熱泵技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，脫離對(duì)燃?xì)獾囊蕾?，主要利用電能可以?shí)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(yùn)行以來(lái)，節(jié)能減碳效果顯著，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 8057t（等價(jià)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(dǎo)、市場(chǎng)運(yùn)作、企業(yè)主體”的原則進(jìn)行運(yùn)作，堅(jiān)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(huì)發(fā)展做出新重要貢獻(xiàn)。

項(xiàng)目屬于社會(huì)公益性項(xiàng)目，項(xiàng)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(gè)舒適、溫馨的環(huán)境，具有良好廣泛的社會(huì)影響，提升了公眾認(rèn)知，對(duì)同類型建筑起到榜樣作用，有利于積極推動(dòng)當(dāng)?shù)?a href="http://www.edat.com.cn/t/綠色建筑.html" >綠色建筑等政策落地，具有較強(qiáng)的示范意義和社會(huì)影響力，有利于全范圍推動(dòng)建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳工作，助力中國(guó)的建筑和城市從綠色節(jié)能，走向“零達(dá)峰”和“碳中和”的未來(lái)。

八、問(wèn)題和建議

可再生能源多能互補(bǔ)低碳能源站系統(tǒng)一般由地源熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)、太陽(yáng)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(jī)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(shì)。系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，增量投資大約為 10～20%，但在系統(tǒng)使用過(guò)程中，運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)減少 25～60%左右，大約 3～5 年即可實(shí)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(guò)高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)實(shí)施、智慧賦能管控能源、暖通系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)適和專業(yè)化節(jié)能運(yùn)維等應(yīng)用高效節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效推動(dòng)城市的綠色低碳發(fā)展。