王勇毅

（北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院，北京 102628）

1 項(xiàng)目情況

本項(xiàng)目用地位于北京市大興區(qū)團(tuán)河地區(qū)，東至現(xiàn)狀鳳河用地權(quán)屬，南至現(xiàn)狀排水渠，西至規(guī)劃基本農(nóng)田，北至現(xiàn)狀北京政法職業(yè)學(xué)院。集教學(xué)、辦公、服務(wù)、住宿等為一體的綜合性建筑群。北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院回遷項(xiàng)目一期工程地源熱泵系統(tǒng)供冷和供熱范圍包含：1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、9 號(hào)、10 號(hào) 樓、綜 合 樓，地 源 熱 泵系統(tǒng)服務(wù)的總建筑面積為122 347．64 m2。根據(jù)建筑物的分布情況將該項(xiàng)目劃分為南北兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，分別為兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的建筑提供冷熱源［1］。各建筑具體面積參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各建筑具體面積參數(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 南區(qū)系統(tǒng)

2．1．1機(jī)房設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

南區(qū)系統(tǒng)包含：1 號(hào)樓、2 號(hào)樓、3 號(hào)樓、4 號(hào)樓、5 號(hào)樓、綜合樓。南區(qū)總冷負(fù)荷：6 998．86 kW，南區(qū)總熱負(fù)荷：6 076． 31 kW。二期預(yù)留10 000 m2建筑冷負(fù)荷：820 kW，熱負(fù)荷：720 kW。根據(jù)南區(qū)系統(tǒng)總冷熱負(fù)荷，選用4 臺(tái)（3 大1 ?。?地源熱泵主機(jī)共同承擔(dān)南區(qū)的冷熱負(fù)荷需求；現(xiàn)一期階段選用3 臺(tái)制冷量為2 064．8 kW； 功率：338．6 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） ； 制熱量為2 057．5 kW； 功率：440．3 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） 地源熱泵主機(jī)可以滿足一期南區(qū)建筑物的冷熱需求；二期預(yù)留的10 000 m2建筑同時(shí)有制冷和供暖需求時(shí)，一期現(xiàn)有的3 地源熱泵主機(jī)不能同時(shí)滿足一期和二期建筑物使用需求時(shí)，增加1 臺(tái)制冷量為929． 3 kW； 功 率： 155． 6 kW（標(biāo) 準(zhǔn) 工 況） ； 制 熱 量 為916．9 kW；功率：198．9 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） 地源熱泵主機(jī)，將設(shè)備接入現(xiàn)有的地源熱泵系統(tǒng)中，由4 臺(tái)設(shè)備共同承擔(dān)南區(qū)建筑物的冷熱負(fù)荷［2］。一期機(jī)房?jī)?nèi)主機(jī)、水泵的位置及機(jī)房管路全部預(yù)留好，需要增加設(shè)備時(shí)，直接將設(shè)備接入系統(tǒng)即可。地源熱泵主機(jī)制冷標(biāo)準(zhǔn)工況： 冷凍水供回水溫度7 ℃/12 ℃，冷卻水供回水溫度：25 ℃/30 ℃；制熱標(biāo)準(zhǔn)工況：冷凍水供回水溫度10 ℃/5 ℃，熱水供回水溫度：45 ℃/40 ℃。

南區(qū)地源熱泵機(jī)房設(shè)備參數(shù)如表2 所示。

表2 南區(qū)地源熱泵機(jī)房設(shè)備參數(shù)

南區(qū)機(jī)房一期系統(tǒng)需要用總電負(fù)荷約為1 780 kW。

南區(qū)系統(tǒng)機(jī)房最大用電功率： 冬季最大用電負(fù)荷約為1 770．9 kW；夏季最大用電負(fù)荷約為1 465．8 kW。

2．1．2室外換熱孔設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)橛蓝ê記_洪積扇中下部，第四系地層厚度約為75 m，為避免換熱孔打穿第四系和基巖交界，對(duì)基巖地下水產(chǎn)生污染，換熱孔采用深68 m 左右。冬季地埋管換熱量為2．61 kW，測(cè)試孔深75 m，則折合每延米換熱量為34． 9 W/m； 夏季地埋管換熱量為5．44 kW，折合每延米換熱量為72．59 W/m。室外換熱孔孔深73 m，地埋孔單孔設(shè)計(jì)為雙U，鉆孔直徑為150 mm ～180 mm，換熱孔孔間距為4．5 m；現(xiàn)階段需要考慮二期預(yù)留換熱孔，南區(qū)總冷負(fù)荷：6 998．86 kW，南區(qū)總熱負(fù)荷6 076．31 kW，根據(jù)負(fù)荷估算計(jì)算所需地埋孔數(shù)量如下，富裕系數(shù)為1．05。夏季所需換熱孔數(shù)為1 800 口，孔間距取4．5 m，地埋管布孔面積約為36 450 m2；冬季所需換熱孔數(shù)為2 025 口，孔間距取4．5 m，地埋管布孔面積約為41 006 m2。綜上所述：南區(qū)（考慮預(yù)留） 共需要換熱孔總數(shù)為2 025 口，室外換熱布孔孔面積約為41 006 m2，總的換熱孔長(zhǎng)度為147 825 m，換熱孔主要布置在1 號(hào)樓的南側(cè)及1 號(hào)樓的北側(cè)、3 號(hào)樓的東側(cè)、4 號(hào)樓的西側(cè)。

2．2 北區(qū)系統(tǒng)

2．2．1機(jī)房設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

北區(qū)系統(tǒng)包含： 9 號(hào)樓、10 號(hào)樓，北區(qū)總冷負(fù)荷：2 587．98 kW，北區(qū)總熱負(fù)荷： 2 521． 96 kW； 二期預(yù)留10 000 m2建筑冷負(fù)荷：910 kW，熱負(fù)荷：1 100 kW； 根據(jù)北區(qū)系統(tǒng)總冷熱負(fù)荷，現(xiàn)選用3 臺(tái)地源熱泵主機(jī)共同承擔(dān)北區(qū)的冷熱負(fù)荷需求； 現(xiàn)一期階段選用2 臺(tái)制冷量為929． 3 kW； 功 率： 155． 6 kW（標(biāo) 準(zhǔn) 工 況） ； 制 熱 量 為916．9 kW；功率：198．9 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） 地源熱泵主機(jī)可以滿足一期北區(qū)建筑物的冷熱需求；二期預(yù)留的10 000 m2建筑同時(shí)有制冷和供暖需求時(shí)，一期現(xiàn)有的2 地源熱泵主機(jī)不能同時(shí)滿足一期和二期建筑物使用需求時(shí)，增加1 臺(tái)制冷量為929．3 kW； 功率：155．6 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） ；制熱量為916．9 kW； 功率：198．9 kW（標(biāo)準(zhǔn)工況） 地源熱泵主機(jī)，將增加的設(shè)備接入現(xiàn)有的地源熱泵系統(tǒng)中，由3 臺(tái)設(shè)備共同承擔(dān)北區(qū)建筑物的冷熱負(fù)荷。一期機(jī)房?jī)?nèi)主機(jī)、水泵等設(shè)備的位置及機(jī)房管路全部預(yù)留好，需要增加設(shè)備時(shí)，直接將設(shè)備接入系統(tǒng)即可［3］。地源熱泵主機(jī)制冷標(biāo)準(zhǔn)工況： 冷凍水供回水溫度7 ℃/12 ℃，冷卻水供回水溫度：25 ℃/30 ℃；制熱標(biāo)準(zhǔn)工況：冷凍水供回水溫度10 ℃/5 ℃，熱水供回水溫度：45 ℃/40 ℃［4］。

北區(qū)地源熱泵機(jī)房設(shè)備參數(shù)如表3 所示。

表3 北區(qū)地源熱泵機(jī)房設(shè)備參數(shù)

北區(qū)機(jī)房一期系統(tǒng)需要用總電負(fù)荷約為525 kW。

南區(qū)系統(tǒng)機(jī)房最大用電功率： 冬季最大用電負(fù)荷約為517．8 kW；夏季最大用電負(fù)荷約為431．2 kW。

2．2．2室外換熱孔設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)橛蓝ê記_洪積扇中下部，第四系地層厚度約為75 m，為避免換熱孔打穿第四系和基巖交界，對(duì)基巖地下水產(chǎn)生污染，換熱孔采用深68 m 左右。冬季地埋管換熱量為2．61 kW，測(cè)試孔深75 m，則折合每延米換熱量為34． 9 W/m； 夏季地埋管換熱量為5．44 kW，折合每延米換熱量為72．59 W/m。室外換熱孔孔深73 m，地埋孔單孔設(shè)計(jì)為雙U，鉆孔直徑為150 mm ～180 mm，換熱孔孔間距為4．5 m； 現(xiàn)階段需要考慮二期預(yù)留換熱孔，北區(qū)總冷負(fù)荷：2 587．98 kW，北區(qū)總熱負(fù)荷2 521．96 kW，根據(jù)負(fù)荷估算計(jì)算所需地埋孔數(shù)量如下，富裕系數(shù)為1．05。夏季所需換熱孔數(shù)為676 口，孔間距取4．5 m，地埋管布孔面積約13 689 m2；冬季所需換熱孔數(shù)為790 口，孔間距取4．5 m，地埋管布孔面積約為15 997．5 m2。綜上所述： 北區(qū)（考慮預(yù)留） 共需要換熱孔總數(shù)為690 口，室外換熱布孔孔面積約為13 973 m2，總的換熱孔長(zhǎng)度為50 370 m，換熱孔主要布置在操場(chǎng)下面。

3 地質(zhì)體地溫場(chǎng)平衡計(jì)算分析

3．1 對(duì)應(yīng)地質(zhì)體的靜儲(chǔ)熱

根據(jù)儲(chǔ)量法計(jì)算淺層巖土體靜熱儲(chǔ)，并評(píng)價(jià)系統(tǒng)年度運(yùn)行條件下冷熱負(fù)荷與靜熱儲(chǔ)之間的均衡關(guān)系，計(jì)算面積按地埋管換熱孔占地面積：南區(qū)換熱孔共2 025 個(gè)，北區(qū)換熱孔共690 個(gè)；本項(xiàng)目室外換熱孔共2 715 個(gè)，每孔占地面積為20．25 m2，且在南區(qū)的南側(cè)區(qū)域換熱孔布置在建筑物的四周及內(nèi)部，則計(jì)算區(qū)占地面積為54 979 m2，地質(zhì)體厚度按73 m 計(jì)算，則：

其中，Qr為地質(zhì)體中儲(chǔ)存的熱量，J；A為計(jì)算區(qū)面積，m2；d為地質(zhì)體厚度，m；tr為地質(zhì)體溫度，℃；t0為計(jì)算基礎(chǔ)溫度，℃；C為地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容，J/（m3·℃） 。

對(duì)包氣帶C=ρrCr（1 －φ） +ρgCgφ；

對(duì)飽水帶：C=ρrCr（1 －φ） +ρwCwφ。

其中，ρr為熱儲(chǔ)巖土密度，kg/m3；Cr為熱儲(chǔ)巖土比熱容，J/（kg·℃） ；ρg為空氣密度，kg/m3；Cg為空氣比熱容，J/（kg·℃） ；ρw為水的密度，kg/m3；Cw為水的比熱容，J/（kg·℃） ；φ為巖石孔隙度（無(wú)量綱） 。

3．1．1對(duì)包氣帶

查閱附近項(xiàng)目相關(guān)資料，根據(jù)相關(guān)參數(shù)得出：

C=ρrCr(1 －φ) +ρgCgφ=2．2 ×103×

1．12 ×103×(1 －0．4) +1．293 ×1．006 ×103×0．4 =

1．998 ×106J/( m3·℃) 。

Qr1=CAd(tr－t0) =

1．998 ×106×54 979 ×26．6 ×1 =

2．92 ×1012J。

3．1．2對(duì)包水帶

查閱附近項(xiàng)目相關(guān)資料，根據(jù)相關(guān)參數(shù)得出：

C=ρrCr(1 －φ) +ρwCwφ=

2．13 ×103×1 ×103×(1 －0．4) +1．0 ×103×

4．2 ×103×0．4 =2．958 ×106J/( m3·℃) 。

Qr2=CAd(tr－t0) =

2．958 ×106×54 979 ×46．4 ×1 =7．55 ×1012J。

3．2 向地質(zhì)體排放的冷熱計(jì)算

夏季制冷時(shí)間為： 每年5 月1 日～9 月30 日，共153 d，每年暑假假期為： 每年7 月15 日～8 月25 日，假期時(shí)間為：42 d，暑假期間停止供冷，每年非暑假時(shí)間為：111 d； 冬季供暖時(shí)間為： 每年11 月1 日～次年3 月31 日，共151 d；寒假期間校區(qū)內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)低溫運(yùn)行，寒假30 d，非寒假期間121 d 保證校區(qū)內(nèi)正常供暖。

夏季供冷：非暑假期間供冷天數(shù)為111 d，熱泵每天運(yùn)行14 h（考慮圖書館、辦公等區(qū)域不同使用要求） ，全負(fù)荷使用系數(shù)取0．5（整個(gè)供冷周期較長(zhǎng)） ；暑假期間停止供冷，但是考慮部分辦公區(qū)域需要供冷，暑假期間（42 d） 熱泵每天運(yùn)行8 h，全負(fù)荷使用系數(shù)取0．25； 冬季供暖：非寒假期間供暖天數(shù)為：121 d，熱泵每天運(yùn)行24 h，全負(fù)荷使用系數(shù)取0．5（熱泵供暖區(qū)域大都為教室、辦公及圖書館等建筑，白天正常運(yùn)行，夜晚保證低溫運(yùn)行） ；寒假期間（30 d） 熱泵每天運(yùn)行24 h，全負(fù)荷使用系數(shù)取0．3。

地源熱泵運(yùn)行1 a 地質(zhì)體溫度變化如表4 所示。

表4 地源熱泵運(yùn)行1 a 地質(zhì)體溫度變化

由表4 可看出，地源熱泵運(yùn)行一年地質(zhì)體溫度上升約為0．009 6 ℃?？紤]地下水流動(dòng)對(duì)地層熱均衡的影響，以及熱泵系統(tǒng)的間歇期，均有利于地層溫度的恢復(fù)，總體上地埋管換熱系統(tǒng)對(duì)地層溫度的影響不大［5］。

4 運(yùn)行成本

地源熱泵機(jī)組負(fù)荷率100%，75%，50%，25%，與之在不同負(fù)荷率下的地源熱泵機(jī)組開啟臺(tái)數(shù)和運(yùn)行效率匹配相應(yīng)的循環(huán)水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，并分別在各運(yùn)行工況下計(jì)算其耗電量。

地源熱泵機(jī)組電功率= 熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的電功率× 使用天數(shù)× 每天運(yùn)行時(shí)間× 使用系數(shù)× 熱泵機(jī)組工作效率。

水泵電功率=水泵電功率×使用天數(shù)×每天運(yùn)行時(shí)間×使用系數(shù)×循環(huán)水泵工作效率。

地源熱泵機(jī)房耗電總功率=地源熱泵機(jī)組運(yùn)行工況下電功率+水泵運(yùn)行工況下電功率。

南區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況如表5 所示。

表5 南區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況

南區(qū)供暖期或供冷期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=（法定每平方米運(yùn)行費(fèi)用－實(shí)際每平方米運(yùn)行費(fèi)用） ×建筑面積。

南區(qū)供暖期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用= （30 元/m2－22．2 元/m2） ×92 611 m2=722 365．8 元。

南區(qū)供冷期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用= （30 元/m2－10．1 元/m2） ×92 611 m2=1 842 958．9 元。

北區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況如表6 所示。

表6 北區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況

北區(qū)供暖期或供冷期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=（法定每平方米運(yùn)行費(fèi)用－實(shí)際每平方米運(yùn)行費(fèi)用） ×建筑面積。

北區(qū)供暖期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用= （30 元/m2－20．2 元/m2） ×29 737 m2=291 422．6 元。

北區(qū)供冷期節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用= （30 元/m2－9．3 元/m2） ×29 737 m2=615 555．9 元。

5 結(jié)論

1） 南區(qū)每個(gè)冬季供暖期能夠節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約為72 萬(wàn)元。

2） 南區(qū)每個(gè)夏季供冷期能節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約為184 萬(wàn)元。

3） 北區(qū)每個(gè)冬季供暖期能夠節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約為29 萬(wàn)元。

4） 北區(qū)每個(gè)夏季供冷期能節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約為62 萬(wàn)元。

5） 達(dá)到了節(jié)約能源的目的，同時(shí)響應(yīng)了“金山銀山不如綠水青山”的指導(dǎo)思想和理念。