西安某产业基地浅层地热能供暖/制冷优化设计

地热能是一种资源丰富、绿色低碳、安全稳定、可持续利用的可再生清洁能源。 我国地热资源储量丰富，约占全球地热资源总量的 7.9% 。而浅层地热一般是指在太阳能辐射和地球深部热量形成的大地热流综合作用下埋深200m 以内的近似恒温的地热资源，凭借其成熟的热泵和地埋管技术，冬季从土壤中取热、夏季向土壤排热从而实现构筑物的冷热兼供，已在建筑供能方面得到了大量推广应用。本文通过对西安市浅层地热地质条件、商业项目供热制冷及洗浴需求负荷进行分析研究， 提出切实可行的地热能供暖/制冷综合开发利用优化设计，为工程设计和实施提供基础依据。

1 项目基础条件

1.1 项目概况

项目为新建3座工业厂房和1栋综合服务楼，总供暖/制冷面积约 30 191.1 m2 。目前该项目区域相关供暖制冷设施亟需建设。

1.2 工程地质条件

项目场地地貌单元属山前洪积扇。拟建场地位于渭河断陷盆地的中段， 西安凹陷的东南隅。 勘探深度20.00 m范围内地层划分为3大层，自上而下分层描述如下：①素填土（Q4 ml）层：以黄褐色为主，松散～稍密，稍湿～湿。层厚0.10～5.70 m，层底标高 443.49～453.52 m。②黄土状土（粉质黏土）（Q4 al+pl）层：黄褐色～褐黄色，局部深褐色，硬塑～可塑， 局部坚硬， 稍湿～湿。层厚 0.80～9.40 m，层底深度 3.10～9.90 m，层底标高441.64～449.42 m。

③卵石（Q4 al+pl）层：杂色，稍湿～饱和，中密～密实。该层未钻穿，最大揭露厚度 16.60 m，最低揭露标高428.55m。实测本场地钻孔地下水稳定水位埋深13.90～18.40 m，属潜水类型。

1.3 地热地质条件

项目处于渭河盆地西安坳陷的中南部，具有较好的地质条件和丰富的地热资源。根据自有项目资料及相关文献研究成果，西安地区地温梯度一般在2.8～3.5 ℃/hm之间，平均为 3.2 ℃/hm，不同深度地温梯度有一定差异；西安市区及近郊区 200 m 深的地温一般不高于 21.0 ℃，市区东南郊及霸河等区域 200 m 深地温在 21.0～23.5 ℃，个别点最高可达 29 ℃。 大体浅层地温梯度大、变化范围大，从 2.5-6.0 ℃/hm，个别点＞10.0 ℃/hm。

1.4 自然气候条件

项目所在地西安市属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季冷暖干湿分明，光、热、水资源丰富。设计计算用采暖期日数120 d，采暖室外计算温度-3.4 ℃，冬季通风室外计算温度-0.1 ℃，冬季空气调节室外计算温度-5.7 ℃，冬季空气调节室外计算相对湿度 66％，夏季空气调节室外计算干球温度35 ℃，夏季空气调节室外计算湿球温度25.8 ℃，夏季空气调节室外计算日平均温度30.7 ℃，极端最低温度-12.8 ℃，极端最高温度41.8 ℃。

2 供暖/ 制冷系统优化设计

2.1 热/冷负荷需求

根据某企业生产基地总平面图及暖通设计图，考虑制冷供热总需求负荷设计如表 1 所示。

2.2 浅层地热能用能优化设计

根据场地施工条件及经济性分析，采用浅层地热能开发利用优化设计。

2.2.1 岩土体供热/制冷量

岩土体供热量计算见式（1）。

式中：QR1 为岩土体提供热量；Q1′为建筑空调总热负荷， 2963 kW；cop 为热泵机组制热性能系数，5.0。由式（1）得QR1=2370.4 kW， 即岩土体吸热量2370.4 kW，满足建筑供暖需求。岩土体制冷量计算见式（2）。

式中：QR2 为岩土体提供冷量；Q2′为建筑空调总冷负荷， 3556 kW；EER 为热泵机组制冷性能系数，6.0。根据式（2）得 QR2=4 148.7 kW，即岩土体吸热量4148.7 kW，满足建筑制冷需求。

2.2.2 地热钻孔设计

2.2.2.1 钻孔数量

根据《西安市集中供暖条例》以及该项目所需供冷时间，冬季供暖时间为4个月、夏季制冷时间为3个月，浅层地埋管换热量应满足最大负荷需求，故钻孔数量由总冷负荷来提供。

据相关技术规范要求，本项目块状布孔，设计间距4～5m，夏季制冷冬季供热延米换热量暂按地区经验值60 W/m 和 40 W/m 计算，项目实施前应按规范进行勘察测试确定。设计单井深度150m，采用双U型De32-PE100埋管。室外换热管采用地源热泵专业高密度聚乙烯 SDR11-PE100管材。钻孔数量计算见式（3）。

式中：N为钻孔数量；q为每延米换热量，W/m；H 为每个钻孔深度，m。 由式（3）计算可得 N=464，最终需要464口150 m 双U型De32-PE100钻井，可满足整个建设项目供暖需求。

2.2.2.2 钻孔平面布置

根据项目场地实际条件， 在项目区域南侧沿1~5#厂房（综合大厅）周围布设464个钻孔，钻孔平面布置如图 1 所示。

2.2.3 管线敷设设计

本设计仅考虑一级管网敷设。要结合项目现场因地制宜，避开建筑物装机基础，一般采用直埋敷设，主管线可走水暖综合管沟，便于检查维修；管线要力求平直美观，尽量减少管件，有利于保持系统的水力平衡，其布置如图 1 所示。

2.2.4 冷热平衡分析

浅层地热能地源热泵系统将浅层岩土体作为蓄冷储热的载体，通过热泵空调向地下岩土体进行夏季储热、冬季蓄冷。在计算周期内，为保证地源侧冷热平衡，即地源热泵系统释热/冷总量与吸热/冷总量平衡， 是保证系统长期运行的重要因素。本项目地源热泵系统双 U型埋管周围蓄热土壤体积约 816 000 m3 ，冬季累计从土壤吸收热量11 035.20 GJ，夏季累计向土壤排放热量12 061.37 GJ， 夏季向土壤排放热量为冬季从土壤吸收热量的 1.09 倍。 考虑土壤温度场在热泵机组停机期间恢复一般不高于 20%，该项目区域地温场冷热基本均衡，满足供暖/制冷的长期稳定性要求。

2.2.5 联合站房设计

在 1# 厂房地下室设立地热联合站房， 占地面积300 m2 ，长 20 m，宽 15 m。 联合站房工程主要由热泵机组、地源侧和用户侧循环水泵、两侧分集水器、配电控制室及配套附属设施组成。

2.2.6 地源热泵机组选型

根据该区天气和地热条件，供暖用户侧供回水温度按 40/45 ℃设计，源侧设计供回水温度为 5/10 ℃；制冷用户侧供回水温度按 7/12 ℃设计， 源侧设计供回水温度为 30/35 ℃；源侧总流量约为 745.8 m3 /h，用户侧总流量 620.6 m3 /h。 地源热泵机组选用 1 台 单 台 制 冷 量 2 813 kW（输入功率 480 kW）、制热量 2 905 kW（输入功率 504 kW） 离心式地源热泵机组；1 台单台制冷量794.2 kW（输入功率 128.5 kW）、制热量 848 kW（输入功率 174.5 kW）螺杆式地源热泵机组。 优化设计及地源热泵机组选型如表 2 所示。

3 效益分析

3.1 经济性分析

3.1.1 初期投资

本项目工业厂房和综合服务楼总面积 约 为35 529.18 m2 ，根据前期使用规划和功能需求，对使用供暖制冷区域进行划分：1#、2#、3# 办公厂房，总建筑面积19 250.63 m2 ，白天开启，时间为 8：00—18：00；11# 综合服务楼总建筑面积 10 940.47 m2 ，全天 24 h 开启。 即白天开启和总建筑面积为 30 191.10 m2 ， 全天开启和总建筑 面 积 为 10 940 . 47 m2 。 本设计供暖制 冷面积按30 191.10 m2 设计，结合项目特点综合考虑，拟采用 4 种供暖制冷方式：浅层地热（地源热泵）中央空调系统供暖制冷、空气源热泵中央空调系统供暖制冷、分体式空调（多联机）系统供暖制冷、燃气锅炉供暖+水冷机组制冷。

3.1.2 运行费用

项目白天总冷负荷 3 556 kW、总热负荷 2 963 kW；夜间总冷负荷 1 246 kW、总热负荷1 038 kW。

各设计设备参数及功率如下：

设计 1： 选 用 1 台 单 台 制 热 量 2 905 kW/制 冷 量2 813 kW （制热输入功率 504 kW/制冷输入功率 480 kW）离心式地源热泵机组、1 台单台制热量 848 kW/制冷量794.2 kW（制热输入功率 174.5 kW/制冷输入功率 128.5 kW）螺杆式地源热泵机组，可满足末端用户夏季制冷、冬季制热。地源循环水泵：流量 Q=360 m3 /h，扬程 H=42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 台，2 用 2 备。 用户循环水泵：流量 Q=330 m3 /h，扬程 H= 43 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 台， 2 用 2 备。

设计 2： 选 用 2 台 单 台 制 热 量 1 422 kW/制 冷 量1 412 kW（制热输入功率 387 kW/制冷输入功率 384 kW）、 1 台单台制热量 1003 kW/制冷量 995 kW （制热输入功率 270 kW/制冷输入功率 268 kW）RTXC-XE 型螺杆式空气源热泵机组，可满足末端用户夏季制冷、冬季制热。 用户循环水泵：流量 Q=330 m3 /h，扬程 H=43 m，功率 N= 55 kW，管道泵 4 台，2 用 2 备。 设计 3：选用单台 1 6.00 kW 制冷量，制冷功率 4.35 kW；18.50 kW 制热量， 制热功率 4.45 kW； 最大输入功率 8.58 kW 分体式空调（多联机）系统进行制冷和供暖，共计 223 台。

设计 4：选用 1 台单台制冷量 2 461 kW（制冷输入功率 464 kW）离心式水源热泵机组、1 台单台制热量制冷量 1 102 kW（制冷输入功率 180 kW）螺杆式水源热泵机组，2 台 YHA600C 型开式冷却塔（电机功率 36 kW）， 2 台 1 500 kW 型燃气锅炉，可满足末端用户夏季制冷、 冬季制热。 冷源侧循环水泵：流量 Q=360 m3 /h，扬程 H= 42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 台，2 用 2 备；用户侧循环水泵：流量 Q=330 m3 /h，扬程 H= 43 m，功率 N=55 kW， 管道泵 4 台，2 用 2 备。 参考西安峰谷电价经验值， 白天平均电价 1 kWh约为0.8元， 夜间平均电价0.4元， 天然气价格按照3档2.97元/m3 ， 地源热泵主机运行份额按照 70%考虑，空气源热泵主机及燃气锅炉运行份额按照 90%考虑。

3.2 节能减排效益

本项目冷热负荷由浅层地源热泵系统提供，浅层钻孔 464 口（DN32 双 U 型孔深 150 m），共提供 2 963 kW热负荷，节约燃煤 742.67 t 标准煤/a，减少 CO2 排放量1 945.79 t/a，减少 SO2 排放量 6.31 t/a，减少 NOx 排放量5.50 t/a。

4 结论

通过对西安某企业生产基地项目供暖制冷负荷需求及工程基础条件进行分析研究，提出了浅层地热能供暖/制冷技术优化设计，主要结论如下：

（1） 该优化设计属于可再生清洁能源利用技术，长期稳定性好，符合“双碳”目标和低碳节能政策要求，环保效益和社会效益明显。

（2）虽初期投资稍高，但年运行费用节省可达 1.13× 105 元，较空气源、分体式空调和燃气锅炉+中央空调系统增量静态投资回收期分别为 3.1、2.6、2.4 a，长期经济效益显著。

（3） 要做好项目区域已有地质资料收集和勘察工作，尽可能准确地掌握其地热地质条件，为用能优化设计提供可靠支撑。

（4）须进行用能系统冷热不平衡分析，并确保地下岩土体冷热基本均衡， 防止系统出现冷/热堆积而降低能效甚至导致系统无法使用。