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(yáng)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?xún)鹊慕?a href="http://www.yg06.cn/t/恒溫.html" >恒溫的地熱資源，憑借其成熟的熱泵和地埋管技術(shù)，冬季從土壤中取熱、夏季向土壤排熱從而實(shí)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(guò)對西安市淺層地熱地質(zhì)條件、商業(yè)項目供熱制冷及洗浴需求負荷進(jìn)行分析研究， 提出切實(shí)可行的地熱能供暖/制冷綜合開(kāi)發(fā)利用優(yōu)化設計，為工程設計和實(shí)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(yè)廠(chǎng)房和1棟綜合服務(wù)樓，總供暖/制冷面積約 30 191.1 m2 。目前該項目區域相關(guān)供暖制冷設施亟需建設。

1.2 工程地質(zhì)條件

項目場(chǎng)地地貌單元屬山前洪積扇。擬建場(chǎng)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(zhì)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(shí)。該層未鉆穿，最大揭露厚度 16.60 m，最低揭露標高428.55m。實(shí)測本場(chǎng)地鉆孔地下水穩定水位埋深13.90～18.40 m，屬潛水類(lèi)型。

1.3 地熱地質(zhì)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(zhì)條件和豐富的地熱資源。根據自有項目資料及相關(guān)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(gè)別點(diǎn)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(gè)別點(diǎn)＞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(fēng)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(fēng)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(yōu)化設計

2.1 熱/冷負荷需求

根據某企業(yè)生產(chǎn)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(yōu)化設計

根據場(chǎng)地施工條件及經(jīng)濟性分析，采用淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用優(yōu)化設計。

2.2.1 巖土體供熱/制冷量

巖土體供熱量計算見(jiàn)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(mǎn)足建筑供暖需求。巖土體制冷量計算見(jiàn)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(mǎn)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(shí)間，冬季供暖時(shí)間為4個(gè)月、夏季制冷時(shí)間為3個(gè)月，淺層地埋管換熱量應滿(mǎn)足最大負荷需求，故鉆孔數量由總冷負荷來(lái)提供。

據相關(guān)技術(shù)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(jīng)驗值60 W/m 和 40 W/m 計算，項目實(shí)施前應按規范進(jìn)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(zhuān)業(yè)高密度聚乙烯 SDR11-PE100管材。鉆孔數量計算見(jiàn)式（3）。

式中：N為鉆孔數量；q為每延米換熱量，W/m；H 為每個(gè)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(mǎn)足整個(gè)建設項目供暖需求。

2.2.2.2 鉆孔平面布置

根據項目場(chǎng)地實(shí)際條件， 在項目區域南側沿1~5#廠(chǎng)房（綜合大廳）周?chē)荚O464個(gè)鉆孔，鉆孔平面布置如圖 1 所示。

2.2.3 管線(xiàn)敷設設計

本設計僅考慮一級管網(wǎng)敷設。要結合項目現場(chǎng)因地制宜，避開(kāi)建筑物裝機基礎，一般采用直埋敷設，主管線(xiàn)可走水暖綜合管溝，便于檢查維修；管線(xiàn)要力求平直美觀(guān)，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(guò)熱泵空調向地下巖土體進(jìn)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(cháng)期運行的重要因素。本項目地源熱泵系統雙 U型埋管周?chē)顭嵬寥荔w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(chǎng)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(chǎng)冷熱基本均衡，滿(mǎn)足供暖/制冷的長(cháng)期穩定性要求。

2.2.5 聯(lián)合站房設計

在 1# 廠(chǎng)房地下室設立地熱聯(lián)合站房， 占地面積300 m2 ，長(cháng) 20 m，寬 15 m。 聯(lián)合站房工程主要由熱泵機組、地源側和用戶(hù)側循環(huán)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(hù)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(hù)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(hù)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(yōu)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(jīng)濟性分析

3.1.1 初期投資

本項目工業(yè)廠(chǎng)房和綜合服務(wù)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(jìn)行劃分：1#、2#、3# 辦公廠(chǎng)房，總建筑面積19 250.63 m2 ，白天開(kāi)啟，時(shí)間為 8：00—18：00；11# 綜合服務(wù)樓總建筑面積 10 940.47 m2 ，全天 24 h 開(kāi)啟。 即白天開(kāi)啟和總建筑面積為 30 191.10 m2 ， 全天開(kāi)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(diǎn)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(lián)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(mǎn)足末端用戶(hù)夏季制冷、冬季制熱。地源循環(huán)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(hù)循環(huán)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(mǎn)足末端用戶(hù)夏季制冷、冬季制熱。 用戶(hù)循環(huán)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(lián)機）系統進(jìn)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(kāi)式冷卻塔（電機功率 36 kW）， 2 臺 1 500 kW 型燃氣鍋爐，可滿(mǎn)足末端用戶(hù)夏季制冷、 冬季制熱。 冷源側循環(huán)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(hù)側循環(huán)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(jià)經(jīng)驗值， 白天平均電價(jià) 1 kWh約為0.8元， 夜間平均電價(jià)0.4元， 天然氣價(jià)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(guò)對西安某企業(yè)生產(chǎn)基地項目供暖制冷負荷需求及工程基礎條件進(jìn)行分析研究，提出了淺層地熱能供暖/制冷技術(shù)優(yōu)化設計，主要結論如下：

（1） 該優(yōu)化設計屬于可再生清潔能源利用技術(shù)，長(cháng)期穩定性好，符合“雙碳”目標和低碳節能政策要求，環(huán)保效益和社會(huì )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(tài)投資回收期分別為 3.1、2.6、2.4 a，長(cháng)期經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

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

（4）須進(jìn)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(wú)法使用。