以地热能为主的复合式能源站项目设计管理要点

张亚，谢栋辉

（北京市地热调查研究所，北京102218）

1 引言

随着全球生态环境、气候变化和能源危机形势日益严峻，2020 年中央经济工作会议首次将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021 年的重点任务之一。 以优先发展可再生能源为特征的能源革命也成为必然趋势。 地热能、太阳能、风能等可再生能源将逐渐由传统意义的补充能源转变为替代能源、 主力能源[1]。而在这几种可再生能源中，地热能又以不受气候影响、热能利用率高、建设周期短、无污染、不占地面空间等优势广泛运用于绿色建筑的能源供应。 与建筑能源密切相关的浅层地热能利用技术——地源热泵系统可以替代区域锅炉房，2017年全国地源热泵装机容量达2 万MW， 年利用浅层地热能折合标准煤1 900 万t，2019 年我国地源热泵供冷供热建筑面积达8.4 亿m2[2]。本文对以地热能为主的大型能源站项目实施过程中所遇到的设计管理情况进行总结归纳， 为以后类似项目的设计及管理工作提供参考。

2 以地热能为主的能源站项目背景

《“十四五”可再生能源发展规划》指出，重点在具有供暖制冷双需求的华北平原、长江经济带等地区，优先发展土壤源热泵，积极发展再生水源热泵，适度发展地表水源热泵，扩大浅层地热能开发利用规模。 《“十四五”现代能源体系规划》中提道：因地制宜发展可再生能源，积极推进地热能供热制冷。在《北京市“十三五”新能源和可再生能源发展规划》中提出创建城市副中心行政办公区“近零碳排放示范区”，在行政办公区重点打造以地热能为主， 常规能源供热为保障的绿色低碳供热系统，运用能源运行信息智慧调节技术，实现新能源和可再生能源与常规能源系统的智能耦合运行。 到2020 年，行政办公区率先建成“近零碳排放示范区”，新能源和可再生能源利用比重力争达到40%以上， 城市副中心整体区域新能源和可再生能源利用比重力争达到15%以上[3]。

单一的地源热泵系统根据不同地域的气候情况末端冷热需求不能完全保持一致， 同时不同地域的地质条件和结构也不尽相同、土壤差异较大，故单一的地源热泵系统长时间运行会出现从土壤中的取热量与往土壤中排热量不均导致土壤温度失衡等问题，也无法实现全过程的供能[4]，从而导致单一的地源热泵系统随着时间的延长供能情况越来越差。 复合式地源热泵能源站项目建设顺应国家改革方向和政策要求， 既可以充分利用地热能来减少碳排放， 还可避免因冷热释放不均而出现的地热不平衡的问题， 为地源热泵系统的长期运行及经济性提供保障，同时提高新能源利用效率，加强城市能源保障能力，驱动潜在需求转化为现实市场，加快城市可再生能源区域布局的步伐。

复合式地源热泵能源站是在原有的地源热泵系统上加以辅助设备（见图1），如地源热泵+ 锅炉、地源热泵+ 冷水机组、地源热泵+ 冷水机组+ 水蓄能、地源热泵+ 太阳能、地源热泵+ 空气能热泵等多种方式，其主要目的在于为用户带来更高效、超长使用的效果，如北京城市副中心模式和合肥热电塘西河模式[5]。 而复合式地源热泵能源站的设计管理对项目各种能源的耦合设计和实施落地提供了保障，对项目的经济性和减碳量进行综合把控， 从而避免项目实施中设计、施工、运营粗放管理，导致项目无法达到理想的节能效果和供能效果。

图1 复合式能源站示意图

3 复合式地源热泵能源站设计前期规划及方案的重点

复合式地源热泵能源站项目以安全可靠、节能、低碳为原则指定能源站方案，充分、合理利用可再生能源，提升可再生能源利用率，减少碳排放。 能源站的方案以地热能为主、其他能源为补充；充分利用蓄能、能源调峰技术优化系统，平衡项目投资、运行经济性。

3.1 地热情况的评估与测试

确定采用地热能之前， 建设单位需要评估项目所在地的地热情况，包括浅层、中层和深层的地热情况，对能源供应范围内地质条件做岩土热响应试验，进行钻孔试验，确定地埋孔热物性参数， 然后根据具体的地质结构和温度确定项目采用地热的形式以及能源提供与转化的方式。

3.2 复合式地源热泵能源站的规划及选址

能源站项目前期勘察和选址应全面考虑能源站供应范围内建筑性质、噪声、环境保护等情况，宜设置在中心位置，但仍需考虑后期运营及检修的便利性，可以单独设站，也可以设在建筑的地下室。 建设单位和规划单位充分沟通确定能源站的选址，明确选址的优缺点。 对于选址导致后续问题，应事先预判，并协调设计院提出可行性的方案和措施。

3.3 地埋管区域的规划

项目应据测试孔的热物性参数确定采用地埋管换热器类型、孔深、间距和孔径。 通过对能源站供应范围内的负荷估算以及地埋管的参数，可以确定地埋管的数量以及需要的面积，然后和园区规划单位协调并确定地埋管的区域， 优先考虑设置在绿地、 道路等下方， 如面积不够可考虑设置在建筑物下方，但需要和单体建筑进行紧密配合。

3.4 能源供应方案分析及确定

复合式地源热泵能源站项目需要根据多次系统比较和可行性分析，最终确定除地源热泵为主要冷热源外，辅助冷热源的方案以及节能经济方案， 目前很多项目采用地源热泵+ 水蓄能/ 冰蓄冷+辅助冷热源。水蓄能/ 冰蓄冷的“削峰填谷”作用稳定了电网，降低了运行成本，提高了系统可靠性；辅助冷热源作为调节地下冷热平衡的手段， 多种能源形式可提高系统的安全性，平衡地温场，有效增强系统的经济性。 另外，需要分析地源热泵的装机比以提高可再生能源利用率， 满足区域的主要冷热需求。

4 复合式地源热泵能源站设计特点

复合式地源热泵能源站项目设计管理以 《建设工程勘察设计管理条例》（2015 年）为基本，在设计管理过程中，严格要求设计单位按照现行国家、地方、行业等设计和施工相关法规规范，以及在设计合同中关于项目的功能、目标和需求等进行针对性设计。

1）与常规能源站相比，复合式地源热泵能源站项目的开发流程需要增加前期地质勘察和室外地埋管这两个流程，项目在设计、施工、招标及运营阶段需要与不同的设计单位进行设计及配合。 一般来说， 复合式地源热泵能源站项目须由勘察、建筑、市政等多个设计资质的设计院来承担设计工作。

2） 复合式地源热泵能源站项目涉及专业非常多， 包括暖通、地质、给排水、电气、建筑、结构、规划、市政、园林等专业，专业之间的配合很重要，同时因为工期紧的原因，施工单位也很多，另外还涉及整个能源系统的自控施工设计，形成智慧能源，为后期运营的自动化及经济性提供基础。

3）复合式地源热泵能源站项目设计范围大，涵盖了室外地埋管系统设计、能源输配管线系统设计、能源站设计等，部分项目可能还需要进行单体二级站的设计， 且须统筹考虑能源站服务单体的能源类型。 在设计管理过程中，复合式地源热泵能源站项目的可行性研究报告中确认能源耦合的方式，合理考虑多种能源形式的使用比例以及耦合形式， 设计中以此为依据进行下一步设计方案工作， 设计方案需要满足投资的经济性、项目的功能性等要求。

4）地源热泵采用的是浅层地热能，属于可再生能源，大部分均有地方政策补贴，比如，北京市发展和改革委员会等单位于2019 年制定的《关于进一步加快热泵系统应用推动清洁供暖的实施意见》中关于加大政府扶持力度，提到市政府固定资产投资对新建、 改扩建热泵系统热源和一次管网投资给予30%的资金支持（投资支持范围包括：地埋管、再生水、污水取热装置及配套设施，设备机房，热泵机组及配套设施，设备机房至用户建筑间一次管网，智能控制及监测系统等）；《重庆市可再生能源建筑应用示范工程专项补助资金管理暂行办法》规定：对利用可再生能源热泵机组的空调，按机组额定制冷量每千瓦补贴人民币800 元； 利用可再生能源提供生活热水的高温热泵机组，按机组额定制热量每千瓦补贴人民币900 元。所以， 在确定采用可再生能源设计前， 需要熟悉各地补贴政策，同时要求设计的优化工作越来越高，以确保投资回收年限以及投资回报率。

5）复合式地源热泵能源站系统相较于常规能源系统，多能耦合系统较复杂、设备类型较多、投资较大，为保证最大限度地利用地热能以及合理利用其他能源，在设计、施工、自控和运营上需要高标准、严要求，设计管理中确定地热能的合理使用比例， 才能使设计的节能环保初衷在最后的运营上体现出来。

6）由于能源站供应范围较大，且新项目的建设有先后，能源站建设单位应要求设计单位在制订设计方案时正确处理近期建设和远期储备的关系， 尤其是做好后期预留设计和进场施工的条件。 同时设计方案需要具备一定的前瞻性，充分考虑智慧能源的趋势，预留升级改造空间。

7）设计管理中需要设计考虑能源站供应的建筑单体性质，充分满足用户需求的稳定性和复杂性的同时，也要考虑设计方案的经济性和合理性。

8）建设单位应做好设计优化工作管理。 在项目实施过程中，因现场环境、技术实施的变化，以及设备采购和后期运营等不断优化，部分设计需要进行优化工作，所以，建设单位应做好设计优化工作，降低投资、工程建设和运营成本。

5 项目实施中设计管理重点

一般的建筑类项目设计内容虽不尽相同，但设计管理一般归结于对5 大要素的管理，即设计的进度管理、设计质量的管理、造价（投资）的管理、设计变更的管理和设计合同管理[6]。 复合式地源热泵能源站项目除以上5 个要素的管理外，因项目要达到可再生能源利用率、投资回报率等指标，更注重节能性和后期运维的延续性，为项目后期的稳定运行和盈利打好基础。

1）建设单位拟定项目实施进度，组织设计单位根据项目进度提供出图计划，确保不影响施工进度，并定期检查设计进度，如有变化，应协调设计单位分析原因，根据工程进展，及时调整设计进度。

2）在项目设计阶段时，建设单位应督促设计单位与能源站相关的其他设计单位或建设单位积极配合， 了解项目周边和界面的设计及建设情况， 避免与能源需求单位的建设不一致导致经济损失。

3）项目必须完善设计审查流程，严格执行“完成资源评估报告—开展可行性研究报告编制—完成可研审查—开展初步设计—完成初设审查—开展施工图设计”的设计编审流程，认真落实各环节审查意见[7]。建设单位根据项目所在地的图纸审查要求，安排设计单位做好施工图纸内外审工作，设计单位及时按审图意见进行图纸修改工作[8]。

4）建设单位应要求设计单位做好设备选型工作，并在设备表中对设备参数进行细致说明。 比如在地源热泵的选型中，设计院应对比多家设备的参数，明确设备在制冷、蓄冷、制热、蓄热等工况下的实际参数， 同时还需要写明热泵机组COP值、制冷剂类型、机组参考重量和尺寸、机组噪声等参数，所有设备的参数不能有唯一性和指向性， 需要满足招标和现场施工的要求。

5）能源站施工图纸完成后，建设单位组织设计单位、监理单位、施工单位对施工图设计文件进行图纸会审工作，形成图纸会审记录，4 方进行签字确认。同时设计单位应向建设单位、监理单位、施工单位等单位对设计目的、施工中的重难点以及项目实施中的注意事项进行交底工作。

6）部分由施工单位或者设备厂家二次设计的内容，项目建设单位应组织设计单位进行土建及配套设施的设计配合，并在二次设计图纸上签字盖章确认。

7）项目实施过程中，建设单位应组织设计单位做好施工配合工作。 在发现设计图纸与现场情况不符的地方，应协调设计单位、施工单位根据现场情况共同协商出解决方案，设计单位及时进行现场验收。 如设计图纸需要变更，则遵循设计变更由设计单位出具，工程洽商由施工单位出具的原则，但根据项目实施的具体情况，无论是设计变更还是工程洽商，均需要建设单位、监理单位、设计单位、施工单位等审批、会签和盖章后方可实施，变更或洽商均需要遵循原有的设计原则，不能降低设计、施工和使用标准；当项目出现方案性的变化或者大范围的变化时，建设单位必须重新组织图纸会审及设计交底工作；在设计变更单签字盖章发放后， 设计单位应整理相关的电子和纸质文件交由建设单位统一存档管理。

8）复合式地源热泵能源站项目实施完成后，将设计资料移交给运营团队，设计资料包含设计负荷计算文件、施工设计图纸、竣工图纸（竣工图纸需要确认是由设计院还是施工单位绘制）、自控方案及设计、设计运行方案等。 运营团队根据项目能源实际供应的特点，对以上资料进行深化，形成最终的、最节能的、供能效果最优的运行策略。

6 结语

目前，在“双碳”目标下，地热能虽然迎来了巨大发展，对调整国家电力结构和加大清洁能源比例起到推进作用， 但在项目投资、建设和运营过程中，如何做到环保与经济双赢是做好设计管理的根本准则。 地源热泵技术使地热能得以实施，它涉及地质、暖通、自控等多个专业[9]，复合式地源热泵能源站项目的设计管理是一项涉及多专业多学科的管理工程， 不仅是建筑项目的管理，更涉及地质、投资等方面的管理。 优质的设计管理对于节约项目成本和提高项目收益是非常有效且非常必要的， 对于提高复合式地源热泵能源站项目的可再生能源利用率起到重要的作用。