某大厦地源热泵系统可行性研究

郑 杰，魏 升

（山东省地矿工程勘察院，山东济南250014）

1 项目简介

大厦建筑用地面积8900m2，总建筑面积82500m2，其中地下车库3层，单层面积为6500m2，地下室总面积为19500m2。建筑采暖供冷面积为63000m2，冷热源系统需要满足夏季供冷、冬季供热的需要。冷热负荷参考指标如下：冷负荷指标为90W/m2，总冷负荷5670kW；热负荷指标为50W/m2，总热负荷3150kW。

2 地层地质结构

根据对地层地质情况初步了解，该项目所在区域地质结构主要以闪长岩和灰岩为主，上部覆盖较薄层第四系松散土壤，地层含水量较大。0～10m为第四系松散土层，10～35m左右为风化岩地层，35m以下为灰岩。地下水含水量丰富，根据项目周边水井资料及地质结构分析，单井水量在100m3/h左右，水温15℃左右。由于地层主要以岩石为主，井水回灌较为容易，单井回灌量可以达到100m3/h左右。同时还需要特别注意的是，该地区属于趵突泉水保护区，政府对钻凿地下水井有严格的控制。

3 冷热源系统设计思路

3.1 系统方案的选择

根据项目所在区域地层地质条件，本方案可以采用地源热泵系统或水源热泵系统作为建筑的冷热源。但是考虑到本地区为保泉区域，政府对地下水井有严格的控制，所以采用地下水地源热泵不可行。本方案推荐采用地埋管地源热泵作为建筑的冷热源。

本项目的总热负荷为3150kW，总冷负荷为5670kW。通过岩土体热物性测试获得，在未进行测试前，换热孔换热量如下：单位延米排热量为65W/m，单位延米取热量为40W/m。

根据本项目的总冷热负荷及换热孔延米换热量的估计，本项目实际需要的换热孔数量为882眼，需要埋管用地面积约为17640m2，而本项目实际用地面积约为8900m2，可见单独采用地埋管地源热泵系统不能满足建筑冷热负荷的要求。

所以本方案采用埋管地源热泵结合燃气锅炉供暖及冷水机组供冷调峰的方式进行冷热源系统设计。

3.2 系统的配置

3.2.1 地埋管换热系统取、排热泵的确定

热泵机组需要根据埋管换热系统的换热量进行配置。根据红线内给定换热孔布置区域和换热孔间距计算，该区域内共可以布置360眼换热孔。根据换热孔的热响应测试得到。单位延米排热量为65W/m，单位延米取热量为40W/m。依据换热孔数量和延米换热量可以计算得到，埋管换热系统总排热量为2808kW，总取热量为1728kW。

3.2.2 热泵机组容量计算（见表1）

表1 地埋管地源热泵运行一览表

在以上热泵运行工况下，热泵机组的制冷效率COP=4.7，制热效率COP=4.2。以此计算，所选热泵机组的供热容量为2268kW，供冷容量为2315kW。

3.2.3 辅助供冷及辅助供热设备容量计算

由以上计算可以看出，本方案中地埋管地源热泵系统不能满足全部冷、热负荷，需要配置相应的辅助供冷及辅助供热系统。

采用燃气锅炉辅助供热，根据计算热泵机组的供热容量为2268kW，热泵机组供热量不足部分由燃气锅炉承担，则燃气锅炉的供热容量为3150kW-2268kW=882kW。

采用冷水机组及冷却塔辅助供冷，根据计算热泵机组的供冷容量为2315 kW，热泵机组供冷量不足部分由冷水机组及冷却塔承担，则辅助供冷容量为5670kW-2315kW=3355kW。3.2.4 不同冷热源比例（见表2）

表2 不同冷热源比例一览表

4 投资估算分析（见表3）

初投资估算说明：

（1）以上投资估算为概算指标估算。

（2）初投资估算费用包括：机房内所有设备的购置及安装；机房内配电、控制柜的制作与安装；室外地埋管系统的全部施工。

（3）初投资估算费用不包括：机房土建施工费；由变电站至机房配电柜的主电源引入费用；室内末端采购与安装。

5 技术经济性简要分析

5.1 运行费用分析

本项目采用辅助地埋管地源热泵系统作为建筑的冷热源系统，根据以上初步计算：冬季，地埋管地源热泵系统提供主要的供热量（大约在70%～80%左右）；夏季，地埋管地源热泵提供的供冷量在50%左右。从运行角度上说，冷热源系统全年大部分时间是在80%负荷运行，只有少数时间需要开启辅助冷热源系统。因此地埋管地源热泵系统在整个冷热源系统中起主导作用。所以在运行费用方面，本方案所采用的辅助冷热源系统相对于常规纯地源热泵系统的运行费用增加幅度不是很大，以下简要的根据我公司以往的工程经验给出运行费用估算表（电价暂按0.5元/kWh计算，天然气价按1.7元/m3算）。

表3 投资估算分析一览表

冬季运行费用折合每年17元/m2，冬季供热运行费用为107万元；夏季运行费用折合每年12元/m2，夏季供冷运行费用为75.6万元。全年总运行费用为182.6万元。

5.2 投资回收期分析

对于一般建筑来说，都需要有相应的冷热源系统提供夏季供冷和冬季供暖。建筑冷热源系统的方案多种多样，可以采用常规冷热源对建筑实现供冷和供热。以下简要地分析地源热泵针对于常规系统投资回收期。

常规系统按照燃气锅炉+冷水机组设计，投资费用大约200元/m2，则总投资为1260万元。

常规系统冬季运行费用为每年30元/m2，冬季总运行费用为189万元；夏季运行费用为每年14元/m2，夏季总运行费用88.2万元。则全年总运行费用为277.2万元（燃气费用按照1.7元/m3考虑）。见表4。

表4 投资回收期计算一览表

6 结论

建筑总冷负荷为5670kW，总热负荷为3150kW。方案采用复合地源热泵系统作为建筑的冷热源，由埋管换热器承担大部分冷热负荷，冷负荷不足部分由冷水机组承担，热负荷不足部分由燃气锅炉承担。在实际运行中，由于建筑冷热负荷只有极少数时间处于最大负荷状态，冷热源系统在大部分时间内不会以最大容量运行，所以大部分时间内，只要运行埋管地源热泵系统即可满足供冷供热需要，只有少部分时间需要开启辅助冷源，因此，整个冷热源系统的运行费用还是会维持在比较低的水平，从运行角度来说具有很好的经济性。