一、項目基本情況

某文化中心是集大型公益類場館和公寓、酒店為一體的文化產業集群，總建筑面積約 30 萬㎡，建設了基于淺層地熱能利用的綠色低碳能源站，項目投資約 7300 萬元。

項目地無集中熱源管網，且地理位置在淺層地熱能利用方面有較好的資源優勢，本項目區域巖土層結構由中粗砂、細砂、粘性土組成，巖土換熱能力較好，鉆孔施工難度較小，淺層地熱能利用條件較適合。為滿足某文化中心全年供暖空調需求，實現長期高效運行，以淺層地熱能為主作為冷熱源，配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運行過程中地源側的累計吸、排熱量平衡，建設了某文化中心可再生能源綠色低碳能源站。

二、供暖面積

某文化中心可再生能源綠色低碳能源站供冷面積22.48萬㎡，供暖面積26.73萬㎡，設計空調總冷負荷 19800kW，設計空調總熱負荷16200kW，自 2019 年建成投入運行至今，系統運行穩定、安全、高效。

三、技術路線及工藝流程

1. 淺層地熱能利用技術適宜性

地熱能、太陽能及空氣能具有可得性廣、賦存量大的優勢，但是太陽能和空氣源的穩定性差、能量密度低、環境適應性弱，而大型公共建筑需求的能量密度高、總量大、活躍性強、靈活性要求高，淺層地熱能具備了開發潛力大、資源量大且具備可再生、無污染、不產生碳排放、運行穩定等優點。

通過對多種能源形式對比分析，從政策、投資、運行費用、系統可靠性、技術先進性、節能環保、綠色生態等各個方面綜合評價，結合當地在淺層地熱能利用方面有較好的資源優勢，以淺層地熱能為主建設分布式能源站是最經濟合理的首選方案：

（1）資源性：本項目區域巖土層結構由中粗砂、細砂、粘性土組成，巖土換熱能力較好，鉆孔施工難度較小，地埋管地源熱泵應用條件較合適。

（2）限制性：該地區土壤含水層顆粒太細，滲入太差，回灌較困難，一般情況下回灌能力為開采能力的 30～50%。淺層地下水徑流強度不大，含水層滲透系數約10m，水力坡度約 1～2‰，淺層地下水源熱泵技術應用條件受限。且地下水資源關系人民基本生活，干系重大，地下水資源保護越來越受到政府重視，綜合技術適宜性及政策條件等，本項目不適宜采用地下水源熱泵。

（3）適宜性：本項目地溫近似全年平均氣溫，恒溫帶的溫度約為 13.5～15℃，是比較好的低溫熱源，適宜進行冬季供暖和夏季制冷。

（4）靈活性：建設范圍內具備布置鉆孔空間，適宜采用土壤源熱泵技術。

（5）換熱性：通過熱響應試驗測試分析，測試結果表明項目區域地源側換熱性能較好。

（6）穩定性：區域地下水含水量充足且流速高，加速地源側取放熱量的擴散能力，有利于土壤側平衡，利于熱泵長期穩定運行。

（7）周期性：土壤源熱泵機組為 25 年，地埋管換熱部分為 70 年，較其他空調系統和供暖設備的壽命都要長（一般家用空調的壽命為 8 年，燃氣鍋爐壽命為 10 年）。

2. 淺層地熱能利用技術應用思路

（1）利用淺層地熱能，由集中設置的能源站作為各個建筑物冷熱源，采用土壤源熱泵系統，滿足該項目全年供暖空調需求，并配置輔助冷卻塔，以保證地源熱泵運行過程中地源側的累計吸、排熱量平衡，實現長期高效運行。

（2）熱泵機組供回水溫度滿足末端建筑需求，供回水溫度采用大溫差設計，夏季供冷 6.5/13.5℃，冬季供暖 47/40℃。

（3）配置“四大一小”熱泵機組，可以實現在部分負荷運行時或冬季防凍運行時，仍能處于高效區。

（4）由于能源站供能半徑較大，阻力較大，因此供能輸配側及地源側采用二級泵系統；供能側及地源側一、二級泵均采用變頻控制。

（5）在部分負荷運行工況下，根據冷、熱負荷控制熱泵機組的開啟臺數；滿足運行調試階段及低負荷階段運行需求。

（6）冷卻塔冬季為關閉狀態，不做使用，夏季制冷時，根據蒸發器出水溫度控制地埋管換熱器與冷卻塔的切換。

3. 淺層地熱能利用技術應用特點

（1）采用鴻業軟件和 TRNSYS 軟件，對設計負荷和全年動態逐時負荷進行了詳細的分析計算，并綜合考慮項目各建筑運行時間、使用率、使用環境參數等多擾動因素，從而降低了項目裝機容量，提高了系統經濟性。

（2）以全年動態負荷計算為基礎，根據熱響應試驗結果，采用 GSLAB 軟件，進行了熱響應試驗反算、埋管換熱器設計計算、全年工況模擬計算和熱平衡分析。以此為依據進行了能源系統整體配置和埋管側設計。

（3）能源中心建設了智能自控系統，該控制系統包括：物聯網監測模塊、數據在線采集模塊、數據存儲模塊、故障識別與報警模塊、節能數據分析模塊、集中優化控制策略模塊、前饋控制模塊、傳感器、控制器、數據傳輸設備等。在各個功能模塊中嵌入系統運行下各工況的工作邏輯，實現系統的無人值守控制功能。

（4）能源管控平臺充分運用了現代物聯網技術、人工智能技術、群控技術，結合數據挖掘技術、現代統計學分析技術、運籌優化技術等技術手段，感知、整合、分析、優化系統運行的一系列分析方法，實現了能源站空調系統的微觀管理到宏觀+微觀管理，從局部優化到整體優化。

四、主要設備選型

1. 高效能源站地源側某文化中心建筑的總設計冷負荷為 19800kW，總設計熱負荷為 16200kW，地埋管換熱器設計計算時，累計耗冷耗熱量取保守值，即：累計冷負荷為 1570.6 萬 kWh （內熱開，取保守值），累計熱負荷為 2092.2 萬 kWh（內熱關，取保守值）。

確定某文化中心建筑供冷供暖的地源熱泵系統所需的鉆孔總長度取 31.96 萬 m（按制熱工況），即地埋管承擔項目全部熱負荷（設計熱負荷、累計熱負荷）；地埋管承擔基礎冷負荷，不足冷負荷由輔助冷源承擔。

本項目地埋管換熱器系統采用雙 U 型豎直埋管換熱器，單個埋管換熱器孔深取120m，換熱器間距為 5m×5m，孔徑Ф150mm，室外地埋管換熱器共設置 2700 個鉆孔。

為了實現有效的水力平衡，采用鉆孔之間同程式并聯連接，并聯孔數根據布孔區域不同為 5～8 個，18 個小區分別設置一個分集水小室，每個大區采用枝狀管網連接各個小區的分集水小室后，進入能源站。其中，有部分小室可利用已有設計的景觀構筑物，直接將分集水器設置于構筑物當中，降低土建施工費用，布置在二期筏板下的地埋管換熱器同程連接后，分集水器設置在文化中心高地建筑中間連接狹縫中。

2. 高效能源站系統配置

（1）熱泵機組能源站機房設置 4 臺離心式地源熱泵機組，單臺制冷量 4600kW，單臺制熱量4500kW；1 臺螺桿式地源熱泵機組，單臺制冷量 1614kW，單臺制熱量 1689kW。

（2）輸配系統供能側及地源側均采用二級泵系統。為便捷調節，可實現不同地埋管區域的部分負荷下切換使用，每個大區對應 1 臺地源側二級泵。本項目中各末端建筑設計水溫一致，因此供能二級泵集中設置；為考慮冬夏負荷需求的不同，供能側及地源側一、二級泵均采用變頻控制。

3. 高效能源站材料設備選擇

（1）地埋管材料

地埋管材料好壞關乎地埋管系統壽命周期和運行可靠性，選用了國內一線品牌為專用管件。

（2）主要設備

地源熱泵系統的主機作為整個地源熱泵系統輸出冷熱量的核心，由于設備本身價值較高，并且一般主機房安裝空間都有限，一般不設置備用主機，因此主機的質量及能否長期穩定安全運行是保證系統長期穩定運行的首要關鍵點。本項目的主機選擇了技術成熟、生產工藝先進、維修更換簡單、有長期運行項目支撐的設備供應商。

水泵作為以水為冷熱量載體的空調系統輸送部件，由于連續使用特性，一旦損壞同樣也能會造成系統癱瘓，并且水泵能耗約占系統能耗的 20%左右，選擇能效級別高、質量過硬的水泵也是保證系統穩定運行的關鍵因素。本項目水泵選擇了能效較高的國內一線品牌。

五、生產運行情況

某文化中心綠色低碳能源站主要能源消耗為電力。能源站自 2019 年夏季開始運行，供冷季按照每年的 6 月 1 日至 9 月 15 日，供暖季按照每年的 11 月 15 日至次年 3 月 15 日，具體運行時間根據建筑的實際用能需求進行了適度調整，全年單位供暖制冷能耗約為 25.80kWh/㎡。

六、項目經濟性

自 2019 能源站運行至今，截止 2023 年系統實際運行成本約 17 元/年·㎡，較方案設計工況下的運行成本降低 41.94%。根據當地政策規定，免繳供熱配套費約 1000 萬元，按照當地市政供熱價格和燃氣價格，較“冷水機+市政集中供熱” 降低單位㎡全年運行約17.8 元，每年可節省運行成本約535 萬元；較“冷水機+燃氣集中供熱” 降低單位㎡全年運行約 24.7 元，每年可節省運行成本約 740 萬元，有效降低了系統運行成本。

七、環境及社會效益

高效利用淺層地熱能的土壤源熱泵技術，代替傳統能源，脫離對燃氣的依賴，主要利用電能可以實現夏季供冷冬季供暖。某文化中心綠色低碳能源站自投入運行以來，節能減碳效果顯著，每年可節約標準煤 8057t（等價值），減少二氧化碳排放量21512t，減少二氧化硫排放量 161t，減少氮氧化物排量放 302t，減少煙塵排量放 80t。公司按照“政府主導、市場運作、企業主體”的原則進行運作，堅持利用綠色生態節能減碳技術，陸續推出一系列公共建筑類優良工程，為社會發展做出新重要貢獻。

項目屬于社會公益性項目，項目可再生能源供能系統供應靈活，提升建筑室內舒適度，提升了可再生能源的利用效率，提升了地區人民的生活品質，為廣大群眾提供一個舒適、溫馨的環境，具有良好廣泛的社會影響，提升了公眾認知，對同類型建筑起到榜樣作用，有利于積極推動當地綠色建筑等政策落地，具有較強的示范意義和社會影響力，有利于全范圍推動建筑領域節能減碳工作，助力中國的建筑和城市從綠色節能，走向“零達峰”和“碳中和”的未來。

八、問題和建議

可再生能源多能互補低碳能源站系統一般由地源熱泵系統、太陽能光熱系統、太陽能光伏系統、空氣能系統、蓄能系統、高效空調節能機組、空調末端、輔助冷卻塔等組成。與傳統化石能源相比，有數量大、可再生、環保、就地取用等優勢。系統建設時，增量投資大約為 10～20%，但在系統使用過程中，運行費用比常規減少 25～60%左右，大約 3～5 年即可實現投資回收。可再生能源的規?；⒏哔|量發展，必然需要通過高性能優化設計、高標準建設實施、智慧賦能管控能源、暖通系統精準調適和專業化節能運維等應用高效節能技術的應用，能夠有效推動城市的綠色低碳發展。