一、項目基本情況

某文化中心是集大型公益類(lèi)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(wàn)元。

項目地無(wú)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，本項目區域巖土層結構由中粗砂、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(mǎn)足某文化中心全年供暖空調需求，實(shí)現長(cháng)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(guò)程中地源側的累計吸、排熱量平衡，建設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)㎡，設計空調總冷負荷 19800kW，設計空調總熱負荷16200kW，自 2019 年建成投入運行至今，系統運行穩定、安全、高效。

三、技術(shù)路線(xiàn)及工藝流程

1. 淺層地熱能利用技術(shù)適宜性

地熱能、太陽(yáng)能及空氣能具有可得性廣、賦存量大的優(yōu)勢，但是太陽(yáng)能和空氣源的穩定性差、能量密度低、環(huán)境適應性弱，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(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、運行穩定等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)對多種能源形式對比分析，從政策、投資、運行費用、系統可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、節能環(huán)保、綠色生態(tài)等各個(gè)方面綜合評價(jià)，結合當地在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：本項目區域巖土層結構由中粗砂、細砂、粘性土組成，巖土換熱能力較好，鉆孔施工難度較小，地埋管地源熱泵應用條件較合適。

（2）限制性：該地區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(kāi)采能力的 30～50%。淺層地下水徑流強度不大，含水層滲透系數約10m，水力坡度約 1～2‰，淺層地下水源熱泵技術(shù)應用條件受限。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(lái)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(jìn)行冬季供暖和夏季制冷。

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

（5）換熱性：通過(guò)熱響應試驗測試分析，測試結果表明項目區域地源側換熱性能較好。

（6）穩定性：區域地下水含水量充足且流速高，加速地源側取放熱量的擴散能力，有利于土壤側平衡，利于熱泵長(cháng)期穩定運行。

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

2. 淺層地熱能利用技術(shù)應用思路

（1）利用淺層地熱能，由集中設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，滿(mǎn)足該項目全年供暖空調需求，并配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運行過(guò)程中地源側的累計吸、排熱量平衡，實(shí)現長(cháng)期高效運行。

（2）熱泵機組供回水溫度滿(mǎn)足末端建筑需求，供回水溫度采用大溫差設計，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(shí)現在部分負荷運行時(shí)或冬季防凍運行時(shí)，仍能處于高效區。

（4）由于能源站供能半徑較大，阻力較大，因此供能輸配側及地源側采用二級泵系統；供能側及地源側一、二級泵均采用變頻控制。

（5）在部分負荷運行工況下，根據冷、熱負荷控制熱泵機組的開(kāi)啟臺數；滿(mǎn)足運行調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(shí)，根據蒸發(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)應用特點(diǎn)

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

（2）以全年動(dòng)態(tài)負荷計算為基礎，根據熱響應試驗結果，采用 GSLAB 軟件，進(jìn)行了熱響應試驗反算、埋管換熱器設計計算、全年工況模擬計算和熱平衡分析。以此為依據進(jìn)行了能源系統整體配置和埋管側設計。

（3）能源中心建設了智能自控系統，該控制系統包括：物聯(lián)網(wǎng)監測模塊、數據在線(xiàn)采集模塊、數據存儲模塊、故障識別與報警模塊、節能數據分析模塊、集中優(yōu)化控制策略模塊、前饋控制模塊、傳感器、控制器、數據傳輸設備等。在各個(gè)功能模塊中嵌入系統運行下各工況的工作邏輯，實(shí)現系統的無(wú)人值守控制功能。

（4）能源管控平臺充分運用了現代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、群控技術(shù)，結合數據挖掘技術(shù)、現代統計學(xué)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)化系統運行的一系列分析方法，實(shí)現了能源站空調系統的微觀(guān)管理到宏觀(guān)+微觀(guān)管理，從局部優(yōu)化到整體優(yōu)化。

四、主要設備選型

1. 高效能源站地源側某文化中心建筑的總設計冷負荷為 19800kW，總設計熱負荷為 16200kW，地埋管換熱器設計計算時(shí)，累計耗冷耗熱量取保守值，即：累計冷負荷為 1570.6 萬(wàn) kWh （內熱開(kāi)，取保守值），累計熱負荷為 2092.2 萬(wàn) kWh（內熱關(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所需的鉆孔總長(cháng)度取 31.96 萬(wàn) m（按制熱工況），即地埋管承擔項目全部熱負荷（設計熱負荷、累計熱負荷）；地埋管承擔基礎冷負荷，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置 2700 個(gè)鉆孔。

為了實(shí)現有效的水力平衡，采用鉆孔之間同程式并聯(lián)連接，并聯(lián)孔數根據布孔區域不同為 5～8 個(gè)，18 個(gè)小區分別設置一個(gè)分集水小室，每個(gè)大區采用枝狀管網(wǎng)連接各個(gè)小區的分集水小室后，進(jìn)入能源站。其中，有部分小室可利用已有設計的景觀(guān)構筑物，直接將分集水器設置于構筑物當中，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. 高效能源站系統配置

（1）熱泵機組能源站機房設置 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）輸配系統供能側及地源側均采用二級泵系統。為便捷調節，可實(shí)現不同地埋管區域的部分負荷下切換使用，每個(gè)大區對應 1 臺地源側二級泵。本項目中各末端建筑設計水溫一致，因此供能二級泵集中設置；為考慮冬夏負荷需求的不同，供能側及地源側一、二級泵均采用變頻控制。

3. 高效能源站材料設備選擇

（1）地埋管材料

地埋管材料好壞關(guān)乎地埋管系統壽命周期和運行可靠性，選用了國內一線(xiàn)品牌為專(zhuān)用管件。

（2）主要設備

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

水泵作為以水為冷熱量載體的空調系統輸送部件，由于連續使用特性，一旦損壞同樣也能會(huì )造成系統癱瘓，并且水泵能耗約占系統能耗的 20%左右，選擇能效級別高、質(zhì)量過(guò)硬的水泵也是保證系統穩定運行的關(guān)鍵因素。本項目水泵選擇了能效較高的國內一線(xiàn)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(kāi)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(shí)間根據建筑的實(shí)際用能需求進(jìn)行了適度調整，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 年系統實(shí)際運行成本約 17 元/年·㎡，較方案設計工況下的運行成本降低 41.94%。根據當地政策規定，免繳供熱配套費約 1000 萬(wàn)元，按照當地市政供熱價(jià)格和燃氣價(jià)格，較“冷水機+市政集中供熱” 降低單位㎡全年運行約17.8 元，每年可節省運行成本約535 萬(wàn)元；較“冷水機+燃氣集中供熱” 降低單位㎡全年運行約 24.7 元，每年可節省運行成本約 740 萬(wàn)元，有效降低了系統運行成本。

七、環(huán)境及社會(huì )效益

高效利用淺層地熱能的土壤源熱泵技術(shù)，代替傳統能源，脫離對燃氣的依賴(lài)，主要利用電能可以實(shí)現夏季供冷冬季供暖。某文化中心綠色低碳能源站自投入運行以來(lái)，節能減碳效果顯著(zhù)，每年可節約標準煤 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、市場(chǎng)運作、企業(yè)主體”的原則進(jìn)行運作，堅持利用綠色生態(tài)節能減碳技術(shù)，陸續推出一系列公共建筑類(lèi)優(yōu)良工程，為社會(huì )發(fā)展做出新重要貢獻。

項目屬于社會(huì )公益性項目，項目可再生能源供能系統供應靈活，提升建筑室內舒適度，提升了可再生能源的利用效率，提升了地區人民的生活品質(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，提升了公眾認知，對同類(lèi)型建筑起到榜樣作用，有利于積極推動(dòng)當地綠色建筑等政策落地，具有較強的示范意義和社會(huì )影響力，有利于全范圍推動(dòng)建筑領(lǐng)域節能減碳工作，助力中國的建筑和城市從綠色節能，走向“零達峰”和“碳中和”的未來(lái)。

八、問(wèn)題和建議

可再生能源多能互補低碳能源站系統一般由地源熱泵系統、太陽(yáng)能光熱系統、太陽(yáng)能光伏系統、空氣能系統、蓄能系統、高效空調節能機組、空調末端、輔助冷卻塔等組成。與傳統化石能源相比，有數量大、可再生、環(huán)保、就地取用等優(yōu)勢。系統建設時(shí)，增量投資大約為 10～20%，但在系統使用過(guò)程中，運行費用比常規減少 25～60%左右，大約 3～5 年即可實(shí)現投資回收。可再生能源的規?；?、高質(zhì)量發(fā)展，必然需要通過(guò)高性能優(yōu)化設計、高標準建設實(shí)施、智慧賦能管控能源、暖通系統精準調適和專(zhuān)業(yè)化節能運維等應用高效節能技術(shù)的應用，能夠有效推動(dòng)城市的綠色低碳發(fā)展。