某大廈地源熱泵系統(tǒng)可行性研究

鄭 杰，魏 升

（山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南250014）

1 項(xiàng)目簡介

大廈建筑用地面積8900m2，總建筑面積82500m2，其中地下車庫3層，單層面積為6500m2，地下室總面積為19500m2。建筑采暖供冷面積為63000m2，冷熱源系統(tǒng)需要滿足夏季供冷、冬季供熱的需要。冷熱負(fù)荷參考指標(biāo)如下：冷負(fù)荷指標(biāo)為90W/m2，總冷負(fù)荷5670kW；熱負(fù)荷指標(biāo)為50W/m2，總熱負(fù)荷3150kW。

2 地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)地層地質(zhì)情況初步了解，該項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要以閃長巖和灰?guī)r為主，上部覆蓋較薄層第四系松散土壤，地層含水量較大。0～10m為第四系松散土層，10～35m左右為風(fēng)化巖地層，35m以下為灰?guī)r。地下水含水量豐富，根據(jù)項(xiàng)目周邊水井資料及地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，單井水量在100m3/h左右，水溫15℃左右。由于地層主要以巖石為主，井水回灌較為容易，單井回灌量可以達(dá)到100m3/h左右。同時(shí)還需要特別注意的是，該地區(qū)屬于趵突泉水保護(hù)區(qū)，政府對(duì)鉆鑿地下水井有嚴(yán)格的控制。

3 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

3.1 系統(tǒng)方案的選擇

根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域地層地質(zhì)條件，本方案可以采用地源熱泵系統(tǒng)或水源熱泵系統(tǒng)作為建筑的冷熱源。但是考慮到本地區(qū)為保泉區(qū)域，政府對(duì)地下水井有嚴(yán)格的控制，所以采用地下水地源熱泵不可行。本方案推薦采用地埋管地源熱泵作為建筑的冷熱源。

本項(xiàng)目的總熱負(fù)荷為3150kW，總冷負(fù)荷為5670kW。通過巖土體熱物性測試獲得，在未進(jìn)行測試前，換熱孔換熱量如下：單位延米排熱量為65W/m，單位延米取熱量為40W/m。

根據(jù)本項(xiàng)目的總冷熱負(fù)荷及換熱孔延米換熱量的估計(jì)，本項(xiàng)目實(shí)際需要的換熱孔數(shù)量為882眼，需要埋管用地面積約為17640m2，而本項(xiàng)目實(shí)際用地面積約為8900m2，可見單獨(dú)采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)不能滿足建筑冷熱負(fù)荷的要求。

所以本方案采用埋管地源熱泵結(jié)合燃?xì)忮仩t供暖及冷水機(jī)組供冷調(diào)峰的方式進(jìn)行冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)的配置

3.2.1 地埋管換熱系統(tǒng)取、排熱泵的確定

熱泵機(jī)組需要根據(jù)埋管換熱系統(tǒng)的換熱量進(jìn)行配置。根據(jù)紅線內(nèi)給定換熱孔布置區(qū)域和換熱孔間距計(jì)算，該區(qū)域內(nèi)共可以布置360眼換熱孔。根據(jù)換熱孔的熱響應(yīng)測試得到。單位延米排熱量為65W/m，單位延米取熱量為40W/m。依據(jù)換熱孔數(shù)量和延米換熱量可以計(jì)算得到，埋管換熱系統(tǒng)總排熱量為2808kW，總?cè)崃繛?728kW。

3.2.2 熱泵機(jī)組容量計(jì)算（見表1）

表1 地埋管地源熱泵運(yùn)行一覽表

在以上熱泵運(yùn)行工況下，熱泵機(jī)組的制冷效率COP=4.7，制熱效率COP=4.2。以此計(jì)算，所選熱泵機(jī)組的供熱容量為2268kW，供冷容量為2315kW。

3.2.3 輔助供冷及輔助供熱設(shè)備容量計(jì)算

由以上計(jì)算可以看出，本方案中地埋管地源熱泵系統(tǒng)不能滿足全部冷、熱負(fù)荷，需要配置相應(yīng)的輔助供冷及輔助供熱系統(tǒng)。

采用燃?xì)忮仩t輔助供熱，根據(jù)計(jì)算熱泵機(jī)組的供熱容量為2268kW，熱泵機(jī)組供熱量不足部分由燃?xì)忮仩t承擔(dān)，則燃?xì)忮仩t的供熱容量為3150kW-2268kW=882kW。

采用冷水機(jī)組及冷卻塔輔助供冷，根據(jù)計(jì)算熱泵機(jī)組的供冷容量為2315 kW，熱泵機(jī)組供冷量不足部分由冷水機(jī)組及冷卻塔承擔(dān)，則輔助供冷容量為5670kW-2315kW=3355kW。3.2.4 不同冷熱源比例（見表2）

表2 不同冷熱源比例一覽表

4 投資估算分析（見表3）

初投資估算說明：

（1）以上投資估算為概算指標(biāo)估算。

（2）初投資估算費(fèi)用包括：機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的購置及安裝；機(jī)房內(nèi)配電、控制柜的制作與安裝；室外地埋管系統(tǒng)的全部施工。

（3）初投資估算費(fèi)用不包括：機(jī)房土建施工費(fèi)；由變電站至機(jī)房配電柜的主電源引入費(fèi)用；室內(nèi)末端采購與安裝。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性簡要分析

5.1 運(yùn)行費(fèi)用分析

本項(xiàng)目采用輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為建筑的冷熱源系統(tǒng)，根據(jù)以上初步計(jì)算：冬季，地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供主要的供熱量（大約在70%～80%左右）；夏季，地埋管地源熱泵提供的供冷量在50%左右。從運(yùn)行角度上說，冷熱源系統(tǒng)全年大部分時(shí)間是在80%負(fù)荷運(yùn)行，只有少數(shù)時(shí)間需要開啟輔助冷熱源系統(tǒng)。因此地埋管地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)冷熱源系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用。所以在運(yùn)行費(fèi)用方面，本方案所采用的輔助冷熱源系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)純地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用增加幅度不是很大，以下簡要的根據(jù)我公司以往的工程經(jīng)驗(yàn)給出運(yùn)行費(fèi)用估算表（電價(jià)暫按0.5元/kWh計(jì)算，天然氣價(jià)按1.7元/m3算）。

表3 投資估算分析一覽表

冬季運(yùn)行費(fèi)用折合每年17元/m2，冬季供熱運(yùn)行費(fèi)用為107萬元；夏季運(yùn)行費(fèi)用折合每年12元/m2，夏季供冷運(yùn)行費(fèi)用為75.6萬元。全年總運(yùn)行費(fèi)用為182.6萬元。

5.2 投資回收期分析

對(duì)于一般建筑來說，都需要有相應(yīng)的冷熱源系統(tǒng)提供夏季供冷和冬季供暖。建筑冷熱源系統(tǒng)的方案多種多樣，可以采用常規(guī)冷熱源對(duì)建筑實(shí)現(xiàn)供冷和供熱。以下簡要地分析地源熱泵針對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)投資回收期。

常規(guī)系統(tǒng)按照燃?xì)忮仩t+冷水機(jī)組設(shè)計(jì)，投資費(fèi)用大約200元/m2，則總投資為1260萬元。

常規(guī)系統(tǒng)冬季運(yùn)行費(fèi)用為每年30元/m2，冬季總運(yùn)行費(fèi)用為189萬元；夏季運(yùn)行費(fèi)用為每年14元/m2，夏季總運(yùn)行費(fèi)用88.2萬元。則全年總運(yùn)行費(fèi)用為277.2萬元（燃?xì)赓M(fèi)用按照1.7元/m3考慮）。見表4。

表4 投資回收期計(jì)算一覽表

6 結(jié)論

建筑總冷負(fù)荷為5670kW，總熱負(fù)荷為3150kW。方案采用復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)作為建筑的冷熱源，由埋管換熱器承擔(dān)大部分冷熱負(fù)荷，冷負(fù)荷不足部分由冷水機(jī)組承擔(dān)，熱負(fù)荷不足部分由燃?xì)忮仩t承擔(dān)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于建筑冷熱負(fù)荷只有極少數(shù)時(shí)間處于最大負(fù)荷狀態(tài)，冷熱源系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)不會(huì)以最大容量運(yùn)行，所以大部分時(shí)間內(nèi)，只要運(yùn)行埋管地源熱泵系統(tǒng)即可滿足供冷供熱需要，只有少部分時(shí)間需要開啟輔助冷源，因此，整個(gè)冷熱源系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用還是會(huì)維持在比較低的水平，從運(yùn)行角度來說具有很好的經(jīng)濟(jì)性。