地?zé)崮?/a>是一種資源豐富、綠色低碳、安全穩(wěn)定、可持續(xù)利用的可再生清潔能源。 我國地?zé)豳Y源儲量豐富，約占全球地?zé)豳Y源總量的 7.9% 。而淺層地?zé)?/a>一般是指在太陽能輻射和地球深部熱量形成的大地?zé)?/a>流綜合作用下埋深200m 以內(nèi)的近似恒溫的地?zé)?/a>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(xiàn)構(gòu)筑物的冷熱兼供，已在建筑供能方面得到了大量推廣應(yīng)用。本文通過對西安市淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件、商業(yè)項(xiàng)目供熱制冷及洗浴需求負(fù)荷進(jìn)行分析研究， 提出切實(shí)可行的地?zé)崮芄┡?/a>/制冷綜合開發(fā)利用優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程設(shè)計(jì)和實(shí)施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 項(xiàng)目基礎(chǔ)條件

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為新建3座工業(yè)廠房和1棟綜合服務(wù)樓，總供暖/制冷面積約 30 191.1 m2 。目前該項(xiàng)目區(qū)域相關(guān)供暖制冷設(shè)施亟需建設(shè)。

1.2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目場地地貌單元屬山前洪積扇。擬建場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(nèi)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(biāo)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(jiān)硬， 稍濕～濕。層厚 0.80～9.40 m，層底深度 3.10～9.90 m，層底標(biāo)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(biāo)高428.55m。實(shí)測本場地鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深13.90～18.40 m，屬潛水類型。

1.3 地?zé)岬刭|(zhì)條件

項(xiàng)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?zé)豳Y源。根據(jù)自有項(xiàng)目資料及相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，西安地區(qū)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(qū)及近郊區(qū) 200 m 深的地溫一般不高于 21.0 ℃，市區(qū)東南郊及霸河等區(qū)域 200 m 深地溫在 21.0～23.5 ℃，個(gè)別點(diǎn)最高可達(dá) 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(xiàng)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(shè)計(jì)計(jì)算用采暖期日數(shù)120 d，采暖室外計(jì)算溫度-3.4 ℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度-0.1 ℃，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度-5.7 ℃，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算相對濕度 66％，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度35 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度25.8 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 熱/冷負(fù)荷需求

根據(jù)某企業(yè)生產(chǎn)基地總平面圖及暖通設(shè)計(jì)圖，考慮制冷供熱總需求負(fù)荷設(shè)計(jì)如表 1 所示。

2.2 淺層地?zé)崮?/a>用能優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)場地施工條件及經(jīng)濟(jì)性分析，采用淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 巖土體供熱/制冷量

巖土體供熱量計(jì)算見式（1）。

式中：QR1 為巖土體提供熱量；Q1′為建筑空調(diào)總熱負(fù)荷， 2963 kW；cop 為熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)，5.0。由式（1）得QR1=2370.4 kW， 即巖土體吸熱量2370.4 kW，滿足建筑供暖需求。巖土體制冷量計(jì)算見式（2）。

式中：QR2 為巖土體提供冷量；Q2′為建筑空調(diào)總冷負(fù)荷， 3556 kW；EER 為熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)，6.0。根據(jù)式（2）得 QR2=4 148.7 kW，即巖土體吸熱量4148.7 kW，滿足建筑制冷需求。

2.2.2 地?zé)?/a>鉆孔設(shè)計(jì)

2.2.2.1 鉆孔數(shù)量

根據(jù)《西安市集中供暖條例》以及該項(xiàng)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(yīng)滿足最大負(fù)荷需求，故鉆孔數(shù)量由總冷負(fù)荷來提供。

據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，本項(xiàng)目塊狀布孔，設(shè)計(jì)間距4～5m，夏季制冷冬季供熱延米換熱量暫按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值60 W/m 和 40 W/m 計(jì)算，項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行勘察測試確定。設(shè)計(jì)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業(yè)高密度聚乙烯 SDR11-PE100管材。鉆孔數(shù)量計(jì)算見式（3）。

式中：N為鉆孔數(shù)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(jì)算可得 N=464，最終需要464口150 m 雙U型De32-PE100鉆井，可滿足整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目供暖需求。

2.2.2.2 鉆孔平面布置

根據(jù)項(xiàng)目場地實(shí)際條件， 在項(xiàng)目區(qū)域南側(cè)沿1~5#廠房（綜合大廳）周圍布設(shè)464個(gè)鉆孔，鉆孔平面布置如圖 1 所示。

2.2.3 管線敷設(shè)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)僅考慮一級管網(wǎng)敷設(shè)。要結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場因地制宜，避開建筑物裝機(jī)基礎(chǔ)，一般采用直埋敷設(shè)，主管線可走水暖綜合管溝，便于檢查維修；管線要力求平直美觀，盡量減少管件，有利于保持系統(tǒng)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?zé)崮艿卦礋岜?/a>系統(tǒng)將淺層巖土體作為蓄冷儲熱的載體，通過熱泵空調(diào)向地下巖土體進(jìn)行夏季儲熱、冬季蓄冷。在計(jì)算周期內(nèi)，為保證地源側(cè)冷熱平衡，即地源熱泵系統(tǒng)釋熱/冷總量與吸熱/冷總量平衡， 是保證系統(tǒng)長期運(yùn)行的重要因素。本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)雙 U型埋管周圍蓄熱土壤體積約 816 000 m3 ，冬季累計(jì)從土壤吸收熱量11 035.20 GJ，夏季累計(jì)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。 考慮土壤溫度場在熱泵機(jī)組停機(jī)期間恢復(fù)一般不高于 20%，該項(xiàng)目區(qū)域地溫場冷熱基本均衡，滿足供暖/制冷的長期穩(wěn)定性要求。

2.2.5 聯(lián)合站房設(shè)計(jì)

在 1# 廠房地下室設(shè)立地?zé)?/a>聯(lián)合站房， 占地面積300 m2 ，長 20 m，寬 15 m。 聯(lián)合站房工程主要由熱泵機(jī)組、地源側(cè)和用戶側(cè)循環(huán)水泵、兩側(cè)分集水器、配電控制室及配套附屬設(shè)施組成。

2.2.6 地源熱泵機(jī)組選型

根據(jù)該區(qū)天氣和地?zé)釛l件，供暖用戶側(cè)供回水溫度按 40/45 ℃設(shè)計(jì)，源側(cè)設(shè)計(jì)供回水溫度為 5/10 ℃；制冷用戶側(cè)供回水溫度按 7/12 ℃設(shè)計(jì)， 源側(cè)設(shè)計(jì)供回水溫度為 30/35 ℃；源側(cè)總流量約為 745.8 m3 /h，用戶側(cè)總流量 620.6 m3 /h。 地源熱泵機(jī)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(jī)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(jī)組。 優(yōu)化設(shè)計(jì)及地源熱泵機(jī)組選型如表 2 所示。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1.1 初期投資

本項(xiàng)目工業(yè)廠房和綜合服務(wù)樓總面積 約 為35 529.18 m2 ，根據(jù)前期使用規(guī)劃和功能需求，對使用供暖制冷區(qū)域進(jìn)行劃分：1#、2#、3# 辦公廠房，總建筑面積19 250.63 m2 ，白天開啟，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 開啟。 即白天開啟和總建筑面積為 30 191.10 m2 ， 全天開啟和總建筑 面 積 為 10 940 . 47 m2 。 本設(shè)計(jì)供暖制 冷面積按30 191.10 m2 設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)綜合考慮，擬采用 4 種供暖制冷方式：淺層地?zé)?/a>（地源熱泵）中央空調(diào)系統(tǒng)供暖制冷、空氣源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)供暖制冷、分體式空調(diào)（多聯(lián)機(jī)）系統(tǒng)供暖制冷、燃?xì)忮仩t供暖+水冷機(jī)組制冷。

3.1.2 運(yùn)行費(fèi)用

項(xiàng)目白天總冷負(fù)荷 3 556 kW、總熱負(fù)荷 2 963 kW；夜間總冷負(fù)荷 1 246 kW、總熱負(fù)荷1 038 kW。

各設(shè)計(jì)設(shè)備參數(shù)及功率如下：

設(shè)計(jì) 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(jī)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(jī)組，可滿足末端用戶夏季制冷、冬季制熱。地源循環(huán)水泵：流量 Q=360 m3 /h，揚(yáng)程 H=42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備。 用戶循環(huán)水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚(yáng)程 H= 43 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺， 2 用 2 備。

設(shè)計(jì) 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(jī)組，可滿足末端用戶夏季制冷、冬季制熱。 用戶循環(huán)水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚(yáng)程 H=43 m，功率 N= 55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備。 設(shè)計(jì) 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(diào)（多聯(lián)機(jī)）系統(tǒng)進(jìn)行制冷和供暖，共計(jì) 223 臺。

設(shè)計(jì) 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(jī)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(jī)組，2 臺 YHA600C 型開式冷卻塔（電機(jī)功率 36 kW）， 2 臺 1 500 kW 型燃?xì)忮仩t，可滿足末端用戶夏季制冷、 冬季制熱。 冷源側(cè)循環(huán)水泵：流量 Q=360 m3 /h，揚(yáng)程 H= 42 m，功率 N=55 kW，管道泵 4 臺，2 用 2 備；用戶側(cè)循環(huán)水泵：流量 Q=330 m3 /h，揚(yáng)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(yàn)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(jī)運(yùn)行份額按照 70%考慮，空氣源熱泵主機(jī)及燃?xì)忮仩t運(yùn)行份額按照 90%考慮。

3.2 節(jié)能減排效益

本項(xiàng)目冷熱負(fù)荷由淺層地源熱泵系統(tǒng)提供，淺層鉆孔 464 口（DN32 雙 U 型孔深 150 m），共提供 2 963 kW熱負(fù)荷，節(jié)約燃煤 742.67 t 標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

通過對西安某企業(yè)生產(chǎn)基地項(xiàng)目供暖制冷負(fù)荷需求及工程基礎(chǔ)條件進(jìn)行分析研究，提出了淺層地?zé)崮芄┡?/a>/制冷技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

（1） 該優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于可再生清潔能源利用技術(shù)，長期穩(wěn)定性好，符合“雙碳”目標(biāo)和低碳節(jié)能政策要求，環(huán)保效益和社會效益明顯。

（2）雖初期投資稍高，但年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省可達(dá) 1.13× 105 元，較空氣源、分體式空調(diào)和燃?xì)忮仩t+中央空調(diào)系統(tǒng)增量靜態(tài)投資回收期分別為 3.1、2.6、2.4 a，長期經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3） 要做好項(xiàng)目區(qū)域已有地質(zhì)資料收集和勘察工作，盡可能準(zhǔn)確地掌握其地?zé)岬刭|(zhì)條件，為用能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠支撐。

（4）須進(jìn)行用能系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)冷/熱堆積而降低能效甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法使用。