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西北地區(qū)

西安某產(chǎn)業(yè)基地淺層地?zé)崮芄┡?制冷優(yōu)化設(shè)計

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)的近似恒溫地?zé)?/a>資源,憑借其成熟的熱泵地埋管技術(shù)冬季從土壤中取熱、夏季向土壤排熱從而實現(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)項目供熱制冷及洗浴需求負(fù)荷進(jìn)行分析研究, 提出切實可行的地?zé)崮芄┡?/a>/制冷綜合開發(fā)利用優(yōu)化設(shè)計,為工程設(shè)計和實施提供基礎(chǔ)依據(jù)。

 

1 項目基礎(chǔ)條件

1.1 項目概況

項目為新建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。該層未鉆穿,最大揭露厚度 16.60 m,最低揭露標(biāo)高428.55m。實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 ℃,個別點最高可達(dá) 29 ℃。 大體淺層地溫梯度大、變化范圍大,從 2.5-6.0 ℃/hm,個別點>10.0 ℃/hm。


1.4 自然氣候條件

項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)計計算用采暖期日數(shù)120 d,采暖室外計算溫度-3.4 ℃,冬季通風(fēng)室外計算溫度-0.1 ℃,冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度-5.7 ℃,冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算相對濕度 66%,夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度35 ℃,夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度25.8 ℃,夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算日平均溫度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

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)計圖,考慮制冷供熱總需求負(fù)荷設(shè)計如表 1 所示。

西安某產(chǎn)業(yè)基地淺層地?zé)崮芄┡?制冷優(yōu)化設(shè)計-地大熱能 

2.2 淺層地?zé)崮?/a>用能優(yōu)化設(shè)計

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。

2.2.1 巖土體供熱/制冷

巖土體供熱量計算見式(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

2.2.2.1 鉆孔數(shù)量

根據(jù)《西安市集中供暖條例》以及該項目所需供冷時間,冬季供暖時間為4個月、夏季制冷時間為3個月,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,本項目塊狀布孔,設(shè)計間距4~5m,夏季制冷冬季供熱延米換熱量暫按地區(qū)經(jīng)驗值60 W/m 和 40 W/m 計算,項目實施前應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行勘察測試確定。設(shè)計單井深度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 為每個鉆孔深度,m。 由式(3)計算可得 N=464,最終需要464口150 m 雙U型De32-PE100鉆井,可滿足整個建設(shè)項目供暖需求。


2.2.2.2 鉆孔平面布置

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

西安某產(chǎn)業(yè)基地淺層地?zé)崮芄┡?制冷優(yōu)化設(shè)計-地大熱能 

2.2.3 管線敷設(shè)設(shè)計

本設(shè)計僅考慮一級管網(wǎng)敷設(shè)。要結(jié)合項目現(xiàn)場因地制宜,避開建筑物裝機基礎(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)長期運行的重要因素。本項目地源熱泵系統(tǒng)雙 U型埋管周圍蓄熱土壤體積約 816 000 m3 ,冬季累計從土壤吸收熱量11 035.20 GJ,夏季累計向土壤排放熱量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組停機期間恢復(fù)一般不高于 20%,該項目區(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

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,源側(cè)設(shè)計供回水溫度為 5/10 ℃;制冷用戶側(cè)供回水溫度按 7/12 ℃設(shè)計, 源側(cè)設(shè)計供回水溫度為 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)螺桿式地源熱泵機組。 優(yōu)化設(shè)計及地源熱泵機組選型如表 2 所示。

西安某產(chǎn)業(yè)基地淺層地?zé)崮芄┡?制冷優(yōu)化設(shè)計-地大熱能 

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1.1 初期投資

本項目工業(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)計供暖制 冷面積按30 191.10 m2 設(shè)計,結(jié)合項目特點綜合考慮,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)系統(tǒng)供暖制冷、燃?xì)忮仩t供暖+水冷機組制冷。


3.1.2 運行費用

項目白天總冷負(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)計設(shè)備參數(shù)及功率如下:

設(shè)計 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,揚程 H= 43 m,功率 N=55 kW,管道泵 4 臺, 2 用 2 備。


設(shè)計 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,揚程 H=43 m,功率 N= 55 kW,管道泵 4 臺,2 用 2 備。 設(shè)計 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)系統(tǒng)進(jìn)行制冷和供暖,共計 223 臺。


設(shè)計 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)螺桿式水源熱泵機組,2 臺 YHA600C 型開式冷卻塔(電機功率 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。 參考西安峰谷電價經(jīng)驗值, 白天平均電價 1 kWh約為0.8元, 夜間平均電價0.4元, 天然氣價格按照3檔2.97元/m3 , 地源熱泵主機運行份額按照 70%考慮,空氣源熱泵主機及燃?xì)忮仩t運行份額按照 90%考慮。

 

3.2 節(jié)能減排效益

本項目冷熱負(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,主要結(jié)論如下:

(1) 該優(yōu)化設(shè)計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,但年運行費用節(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。