西安某產業基地淺層地熱能供暖/制冷優化設計

地熱能是一種資源豐富、綠色低碳、安全穩定、可持續利用的可再生清潔能源。 我國地熱資源儲量豐富，約占全球地熱資源總量的 7.9% 。而淺層地熱一般是指在太陽能輻射和地球深部熱量形成的大地熱流綜合作用下埋深200m 以內的近似恒溫的地熱資源，憑借其成熟的熱泵和地埋管技術，冬季從土壤中取熱、夏季向土壤排熱從而實現構筑物的冷熱兼供，已在建筑供能方面得到了大量推廣應用。本文通過對西安市淺層地熱地質條件、商業項目供熱制冷及洗浴需求負荷進行分析研究， 提出切實可行的地熱能供暖/制冷綜合開發利用優化設計，為工程設計和實施提供基礎依據。

1 項目基礎條件

1.1 項目概況

項目為新建3座工業廠房和1棟綜合服務樓，總供暖/制冷面積約 30 191.1 m2 。目前該項目區域相關供暖制冷設施亟需建設。

1.2 工程地質條件

項目場地地貌單元屬山前洪積扇。擬建場地位于渭河斷陷盆地的中段， 西安凹陷的東南隅。 勘探深度20.00 m范圍內地層劃分為3大層，自上而下分層描述如下：①素填土（Q4 ml）層：以黃褐色為主，松散～稍密，稍濕～濕。層厚0.10～5.70 m，層底標高 443.49～453.52 m。②黃土狀土（粉質黏土）（Q4 al+pl）層：黃褐色～褐黃色，局部深褐色，硬塑～可塑， 局部堅硬， 稍濕～濕。層厚 0.80～9.40 m，層底深度 3.10～9.90 m，層底標高441.64～449.42 m。

③卵石（Q4 al+pl）層：雜色，稍濕～飽和，中密～密實。該層未鉆穿，最大揭露厚度 16.60 m，最低揭露標高428.55m。實測本場地鉆孔地下水穩定水位埋深13.90～18.40 m，屬潛水類型。

1.3 地熱地質條件

項目處于渭河盆地西安坳陷的中南部，具有較好的地質條件和豐富的地熱資源。根據自有項目資料及相關文獻研究成果，西安地區地溫梯度一般在2.8～3.5 ℃/hm之間，平均為 3.2 ℃/hm，不同深度地溫梯度有一定差異；西安市區及近郊區 200 m 深的地溫一般不高于 21.0 ℃，市區東南郊及霸河等區域 200 m 深地溫在 21.0～23.5 ℃，個別點最高可達 29 ℃。 大體淺層地溫梯度大、變化范圍大，從 2.5-6.0 ℃/hm，個別點＞10.0 ℃/hm。

1.4 自然氣候條件

項目所在地西安市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明，光、熱、水資源豐富。設計計算用采暖期日數120 d，采暖室外計算溫度-3.4 ℃，冬季通風室外計算溫度-0.1 ℃，冬季空氣調節室外計算溫度-5.7 ℃，冬季空氣調節室外計算相對濕度 66％，夏季空氣調節室外計算干球溫度35 ℃，夏季空氣調節室外計算濕球溫度25.8 ℃，夏季空氣調節室外計算日平均溫度30.7 ℃，極端最低溫度-12.8 ℃，極端最高溫度41.8 ℃。

2 供暖/ 制冷系統優化設計

2.1 熱/冷負荷需求

根據某企業生產基地總平面圖及暖通設計圖，考慮制冷供熱總需求負荷設計如表 1 所示。

2.2 淺層地熱能用能優化設計

根據場地施工條件及經濟性分析，采用淺層地熱能開發利用優化設計。

2.2.1 巖土體供熱/制冷量

巖土體供熱量計算見式（1）。

式中：QR1 為巖土體提供熱量；Q1′為建筑空調總熱負荷， 2963 kW；cop 為熱泵機組制熱性能系數，5.0。由式（1）得QR1=2370.4 kW， 即巖土體吸熱量2370.4 kW，滿足建筑供暖需求。巖土體制冷量計算見式（2）。

式中：QR2 為巖土體提供冷量；Q2′為建筑空調總冷負荷， 3556 kW；EER 為熱泵機組制冷性能系數，6.0。根據式（2）得 QR2=4 148.7 kW，即巖土體吸熱量4148.7 kW，滿足建筑制冷需求。

2.2.2 地熱鉆孔設計

2.2.2.1 鉆孔數量

根據《西安市集中供暖條例》以及該項目所需供冷時間，冬季供暖時間為4個月、夏季制冷時間為3個月，淺層地埋管換熱量應滿足最大負荷需求，故鉆孔數量由總冷負荷來提供。

據相關技術規范要求，本項目塊狀布孔，設計間距4～5m，夏季制冷冬季供熱延米換熱量暫按地區經驗值60 W/m 和 40 W/m 計算，項目實施前應按規范進行勘察測試確定。設計單井深度150m，采用雙U型De32-PE100埋管。室外換熱管采用地源熱泵專業高密度聚乙烯 SDR11-PE100管材。鉆孔數量計算見式（3）。

式中：N為鉆孔數量；q為每延米換熱量，W/m；H 為每個鉆孔深度，m。 由式（3）計算可得 N=464，最終需要464口150 m 雙U型De32-PE100鉆井，可滿足整個建設項目供暖需求。

2.2.2.2 鉆孔平面布置

根據項目場地實際條件， 在項目區域南側沿1~5#廠房（綜合大廳）周圍布設464個鉆孔，鉆孔平面布置如圖 1 所示。

2.2.3 管線敷設設計

本設計僅考慮一級管網敷設。要結合項目現場因地制宜，避開建筑物裝機基礎，一般采用直埋敷設，主管線可走水暖綜合管溝，便于檢查維修；管線要力求平直美觀，盡量減少管件，有利于保持系統的水力平衡，其布置如圖 1 所示。

2.2.4 冷熱平衡分析

淺層地熱能地源熱泵系統將淺層巖土體作為蓄冷儲熱的載體，通過熱泵空調向地下巖土體進行夏季儲熱、冬季蓄冷。在計算周期內，為保證地源側冷熱平衡，即地源熱泵系統釋熱/冷總量與吸熱/冷總量平衡， 是保證系統長期運行的重要因素。本項目地源熱泵系統雙 U型埋管周圍蓄熱土壤體積約 816 000 m3 ，冬季累計從土壤吸收熱量11 035.20 GJ，夏季累計向土壤排放熱量12 061.37 GJ， 夏季向土壤排放熱量為冬季從土壤吸收熱量的 1.09 倍。 考慮土壤溫度場在熱泵機組停機期間恢復一般不高于 20%，該項目區域地溫場冷熱基本均衡，滿足供暖/制冷的長期穩定性要求。

2.2.5 聯合站房設計

在 1# 廠房地下室設立地熱聯合站房， 占地面積300 m2 ，長 20 m，寬 15 m。 聯合站房工程主要由熱泵機組、地源側和用戶側循環水泵、兩側分集水器、配電控制室及配套附屬設施組成。

2.2.6 地源熱泵機組選型

根據該區天氣和地熱條件，供暖用戶側供回水溫度按 40/45 ℃設計，源側設計供回水溫度為 5/10 ℃；制冷用戶側供回水溫度按 7/12 ℃設計， 源側設計供回水溫度為 30/35 ℃；源側總流量約為 745.8 m3 /h，用戶側總流量 620.6 m3 /h。 地源熱泵機組選用 1 臺 單 臺 制 冷 量 2 813 kW（輸入功率 480 kW）、制熱量 2 905 kW（輸入功率 504 kW） 離心式地源熱泵機組；1 臺單臺制冷量794.2 kW（輸入功率 128.5 kW）、制熱量 848 kW（輸入功率 174.5 kW）螺桿式地源熱泵機組。 優化設計及地源熱泵機組選型如表 2 所示。

3 效益分析

3.1 經濟性分析

3.1.1 初期投資

本項目工業廠房和綜合服務樓總面積 約 為35 529.18 m2 ，根據前期使用規劃和功能需求，對使用供暖制冷區域進行劃分：1#、2#、3# 辦公廠房，總建筑面積19 250.63 m2 ，白天開啟，時間為 8：00—18：00；11# 綜合服務樓總建筑面積 10 940.47 m2 ，全天 24 h 開啟。 即白天開啟和總建筑面積為 30 191.10 m2 ， 全天開啟和總建筑 面 積 為 10 940 . 47 m2 。 本設計供暖制 冷面積按30 191.10 m2 設計，結合項目特點綜合考慮，擬采用 4 種供暖制冷方式：淺層地熱（地源熱泵）中央空調系統供暖制冷、空氣源熱泵中央空調系統供暖制冷、分體式空調（多聯機）系統供暖制冷、燃氣鍋爐供暖+水冷機組制冷。

3.1.2 運行費用

項目白天總冷負荷 3 556 kW、總熱負荷 2 963 kW；夜間總冷負荷 1 246 kW、總熱負荷1 038 kW。

各設計設備參數及功率如下：

設計 1： 選 用 1 臺 單 臺 制 熱 量 2 905 kW/制 冷 量2 813 kW （制熱輸入功率 504 kW/制冷輸入功率 480 kW）離心式地源熱泵機組、1 臺單臺制熱量 848 kW/制冷量794.2 kW（制熱輸入功率 174.5 kW/制冷輸入功率 128.5 kW）螺桿式地源熱泵機組，可滿足末端用戶夏季制冷、冬季制熱。地源循環水泵：流量 Q=360 m3 /h，揚程 H=42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備。 用戶循環水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚程 H= 43 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺， 2 用 2 備。

設計 2： 選 用 2 臺 單 臺 制 熱 量 1 422 kW/制 冷 量1 412 kW（制熱輸入功率 387 kW/制冷輸入功率 384 kW）、 1 臺單臺制熱量 1003 kW/制冷量 995 kW （制熱輸入功率 270 kW/制冷輸入功率 268 kW）RTXC-XE 型螺桿式空氣源熱泵機組，可滿足末端用戶夏季制冷、冬季制熱。 用戶循環水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚程 H=43 m，功率 N= 55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備。 設計 3：選用單臺 1 6.00 kW 制冷量，制冷功率 4.35 kW；18.50 kW 制熱量， 制熱功率 4.45 kW； 最大輸入功率 8.58 kW 分體式空調（多聯機）系統進行制冷和供暖，共計 223 臺。

設計 4：選用 1 臺單臺制冷量 2 461 kW（制冷輸入功率 464 kW）離心式水源熱泵機組、1 臺單臺制熱量制冷量 1 102 kW（制冷輸入功率 180 kW）螺桿式水源熱泵機組，2 臺 YHA600C 型開式冷卻塔（電機功率 36 kW）， 2 臺 1 500 kW 型燃氣鍋爐，可滿足末端用戶夏季制冷、 冬季制熱。 冷源側循環水泵：流量 Q=360 m3 /h，揚程 H= 42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備；用戶側循環水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚程 H= 43 m，功率 N=55 kW， 管道泵 4 臺，2 用 2 備。 參考西安峰谷電價經驗值， 白天平均電價 1 kWh約為0.8元， 夜間平均電價0.4元， 天然氣價格按照3檔2.97元/m3 ， 地源熱泵主機運行份額按照 70%考慮，空氣源熱泵主機及燃氣鍋爐運行份額按照 90%考慮。

3.2 節能減排效益

本項目冷熱負荷由淺層地源熱泵系統提供，淺層鉆孔 464 口（DN32 雙 U 型孔深 150 m），共提供 2 963 kW熱負荷，節約燃煤 742.67 t 標準煤/a，減少 CO2 排放量1 945.79 t/a，減少 SO2 排放量 6.31 t/a，減少 NOx 排放量5.50 t/a。

4 結論

通過對西安某企業生產基地項目供暖制冷負荷需求及工程基礎條件進行分析研究，提出了淺層地熱能供暖/制冷技術優化設計，主要結論如下：

（1） 該優化設計屬于可再生清潔能源利用技術，長期穩定性好，符合“雙碳”目標和低碳節能政策要求，環保效益和社會效益明顯。

（2）雖初期投資稍高，但年運行費用節省可達 1.13× 105 元，較空氣源、分體式空調和燃氣鍋爐+中央空調系統增量靜態投資回收期分別為 3.1、2.6、2.4 a，長期經濟效益顯著。

（3） 要做好項目區域已有地質資料收集和勘察工作，盡可能準確地掌握其地熱地質條件，為用能優化設計提供可靠支撐。

（4）須進行用能系統冷熱不平衡分析，并確保地下巖土體冷熱基本均衡， 防止系統出現冷/熱堆積而降低能效甚至導致系統無法使用。