地源热泵系统工厂应用案例分析

杨亚鹏

常州迅石项目管理咨询有限公司（213161）

0 前言

地源热泵制热要比常规的电制热或燃油、燃气制热经济，制取相同的热量，地源热泵的耗电量通常只有电制热耗电量的1/4 到1/5。因此，地源热泵市场广阔。

到2020年，我国地热供暖面积将达到12.5 亿m2，地热发电装机容量将达到25 万kW，地热能年利用量达到5 000 万t 标准煤，形成地热能资源评价、开发利用技术、关键设备制造、产业服务等比较完整的产业体系。

1 地源热泵系统概述

地源热泵是通过输入少量的高品位能源(如电能等)，实现陆地浅层能源由低品位热能向高品位热能转移的装置。通常地源热泵消耗1 kWh 的电能，用户可以得到4 kWh 以上的热量或冷量。地源热泵是以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源，由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热中央空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵供暖空调系统主要包括室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系统三个部分。

地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水；不需要锅炉，不需要冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环境效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比可以减少40%以上，与电供暖相比可以减少70%以上；其制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%，比燃气锅炉的效率高出了75%。

2 案例简介

本案例为伊维氏传动系统（平湖）有限公司新建厂房，投资者为德国伊维氏汽车系统两合公司（iwis motorsysteme GmbH&Co·KG），此公司在业界享有很高的地位和声誉。公司的客户包括宝马，奔驰，奥迪，保时捷等著名的汽车生产商。由于高端汽车整车厂对汽配产品要求苛刻，伊维氏对新工厂提出了很高的要求，包括生产车间和储藏车间都需要做到恒温。

工厂位于独黎公路以北新兴一路以东的狭长区域，总占地面积为19 480.3 m2。工厂分两期建设，一期总占地面积为11 948 m2，总建筑面积约8 000 m2。

3 系统设计

为了在保证正常需求的同时兼顾节能因素，为业主方提出多种新能源节能方案，包括地源热泵、太阳能、风能等。最终地源热泵系统以其地域覆盖面大、性价比高、维护保养简单等多项优势获得了业主方的青睐。

在项目开展之前，对现场开展了地源热泵岩土热响应试验。确定单位单U 埋管延米放热量和取热量分别为54.7 W/m 和40.2 W/m。管群及地埋管数量设计取安全系数为1.05～1.1，即在参考单位延米放（取）热量计算得到的埋管设计数量后，再乘以1.05～1.1 的系数。

室外地源换热系统采用垂直埋管--深层土壤全封闭系统。垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50～150 m 深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。

地源热泵主机系统采用特灵RTWDCH530 机组。此机组的出水量在65～125 t 之间，出水温度最高45 ℃。图1 是该螺杆机机组示意图。

热泵机组装置主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质（制冷剂或冷媒）不断完成“蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝 （放出热量）→节流→再蒸发” 的热力循环过程，将环境里的热量转移到水中。压缩机起着压缩、输送循环工质，使其从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的液态制冷剂蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。

图1 特灵水冷螺杆机RTWDCH530 机组示意图

地源热泵的COP 值达到了4 以上，按照本机组50 kWh 的耗电量，用户可以得到大约200 kWh的热量或冷量。

地源热泵空调系统的夏季总冷负荷为950 kW、冬季总冷负荷为750 kW，冷冻水供水和回水温度为7 ℃～12 ℃，空调热水供水回水温度为45 ℃～40 ℃。地源热泵U 型管地埋深度为100 m，夏季放热量为55 W/m，冬季吸热量为40 W/m。为了达到需求的冷热交换量，共设计管井299 个，所有管井均位于道路、停车场等下方。每8～10 口井为一组，通过横管联通至集水井中。

4 施工安装

因为工厂位于狭长地块，地源热泵U 型管埋设区域占了很大的面积，并且与雨水管、污水管、消防管和给水管交错，所以施工难度很大。地埋U 型管井的施工大致在项目的中期开始，由一个施工小组完成所有的打井施工，299 口井大致花费了2 个月的时间。地埋U 型管井全部施工完成之后，将竖埋管道每8～10 个为一组，通过横管集中到了办公楼附近的集水井中。这个集水井可以通过手动开关每组U 型管地埋井组（如图2 所示）。

图2 地源热泵U 型管集水井

从集水井出入的管道通往空调机房。空调机房是整套地源热泵系统的核心部位。整套设备在2 个月内安装到位，包括螺杆机、水泵、蒸发器等。

系统压力测试完毕之后，进入试运行阶段。试运营过程中，系统运行稳定，室内温度在设备运行30 min 之后可以达到22 ℃（冬天室外温度在0～5℃）。整套设备连续运行48 h 无不良情况。

5 结语

与伊维氏上海工厂相比，伊维氏平湖新厂的面积增加一倍，但是空调系统的耗电量基本持平（上海工厂3 000 m2厂房每月7 万元电费，空调耗电量大致占50%）。整套系统的成本在200～300 百万元之间，3～5年减少的运营成本就可以抵扣这套系统的费用。地源热泵的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外恶劣气候的影响。机组紧凑、节省空间，维护费用低。机组的自动控制程度较高，可实现无人值守。

我国是制造业大国，制造类企业是耗能大户。地源热泵等新能源系统在工业领域的广泛应用，不但可以降低工业运营成本，还能促进我国节能减排事业的发展。