中国医药城生产集聚区集中式地源热泵水环系统的应用实践

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摘要：本文简要介绍了集中式地源热泵水环系统在中国医药城生产集聚区中的应用情况，并分析讨论了集中式地源热泵水环系统中的关键技术问题，对提高系统运行的安全可靠性和系统能源利用效率提出建议。

关键词：中国医药城；集中式地源热泵系统；安全性、可靠性、高效性

Abstract: This paper briefly introduces the application of ground source heat pump water ring centralized system in Chinese medicine city production gathering area, and discussed the key technology problem of centralized ground-source heat pump water ring system, to improve the security and reliability of system energy and system operation efficiency recommendations.

Keywords: Chinese medicine city; centralized ground-source heat pump system; safety, reliability, high efficiency

中图分类号：R188.8文献标识码：A 文章编号：

1引言

中国医药城生产集聚区是集科研、办公、生产为一体的综合性建筑，占地面积55000平方米，拥有8幢生产厂房和相关公用配套设施，总建筑面积约60000平方米。为满足医药产品对环境质量的特殊要求，采用了节能、环保的集中式地源热泵水环复合系统，该项目符合国家的产业政策和节能减排的要求，是省住房和城乡建设厅可再生能源应用示范项目，也是国家重点支持的项目之一。该项目自2009年建成以来，正式投入运行已近4年时间。本文对集中式地源热泵水环系统在生产集聚区的应用进行简要介绍，并总结经验教训为类似地源热泵系统建设中的安全性、可靠性、高效性的保障和能源效率的优化提供参考。

2生产集聚区集中式地源热泵水环系统的设计理念

中国医药城注重能源优化配置、建筑节能推广和生态园区建设，大力推广应用可再生能源和节能新技术、新工艺。坚持因地制宜，做好资源整合配置工作，做到能源供应和使用的科学性、合理性，达到经济效益、环境效益和社会效益相统一。通过能源供应网络优化布局，在确保企业生产需求的基础上实现能源循环利用，切实降低碳排放，采用地源热泵等可再生能源技术，在五大功能区都设立了相对集中的能源站，为该区域集中供应中央空调和生活热水，提高能源综合利用效率，为企业科研开发、生产经营提供“成本最低化、效益最大化”的能源集约利用解决方案。生产集聚区在选择空调系统时，结合投资费用、运行费用、系统稳定性、节能减排、对园区环境影响等统筹兼顾的前提下，使用集中式地源热泵水环系统，对该项目的建设、运营理念及操作模式具体思考如下：

先集中：将厂房、道路、绿化等土地资源整合起来，分为7个系统，每个系统串联7个子系统，每个子系统采集20~35口井的地源，共计1600口井，各个系统集中采集地源，再独立进入机房；各系统独立运行，提高安全性、可靠性。

分区供：将集中采集的地源，分8个回路供给8幢厂房，实行点对点供应，提高供应的有效性、输水效率、降低运行费用。

以需定供：改变传统的供量决定用量的模式，通过自控手段实现以用户需量为目标，即由需量确定供量的新理念。

经济性：每幢厂房的用户供给为二管制（等同于四管制使用），夏/冬季均可同时供冷、供热，能平衡并减少地源侧能量需求，可满足用户的个性化需求，同时减少投资；每户以空调用电量作为冷（热）量计费依据，既经济有实用。经测算能源费用平均在0. 25元/kwh（含地源侧能源费），大大低于传统空调的运行费用。集中式地源热泵水环系统总投资1200万元，每平方米造价200元。

合作多赢：本着整合资源、共同投资、利益共享、风险共担的原则，搭建服务平台，成立能源服务公司，负责管网铺设及空调机房等配套设施的建设和日常维护运营管理。利益从所收能源费中扣除设备折旧、技改、工资等费用后，按照投资比例进行分配。在确保服务质量的前提下，通过自动化控制、精细化管理等降低运行成本，减少企业能源支出费用，从而达到用户、运营商、政府共赢的目的。

3集中式地源热泵水环系统的组成、工作原理

地源热泵系统主要由室内、室外及智能化系统组成。室内地源热泵机组因使用要求不同，分为集中式、分散式热泵机组。集中式热泵机组主要用于医药净化环境，分散式热泵系统主要用于舒适性环境和需要在夏/冬季同时实现供冷、供热的个性化需求；室外集中式地源热泵水环系统由地下机房子系统、地理井子系统和平衡冷却塔子系统组成；智能化系统由每栋楼的分PLC传送空调设备运行状态至主控机房的总PLC进行数据比照，确定分栋设备地源侧水流量、总供水流量，通过水泵变频得以实现，再经过分栋供回水动态流量平衡阀来分解总流量，满足各栋设备地源侧水流量的需量，达到以需定供的目标。地下机房由膨胀补水箱、7台循环水泵、4组分集水器和控制执行器、计量装置等组成，结合地埋井及管网、平衡冷却塔等共同组成集中式地源热泵水环系统。工作原理（见下图）。

地源热泵机组主机无需放在室外，不影响室外环境，可吊装于卫生间吊顶内、储藏室或室内其他隐蔽处。土壤型换热器是一个由高密度塑料管组成的闭式环路。循环介质为水或加有防冻液的水溶液。系统夏季运行时，通过地下换热管中介质的循环流动，将地源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤。冬季运行时埋在地下换热管中的介质从土壤中吸收热量并将它传递给地源热泵机组的蒸发器。由于在地表两米以下的土壤基本上不受大气环境温度的影响，而常年保持恒定温度，冬季远高于室外大气环境温度。夏季又远低于室外大气环境温度。因此，地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，空调效果不受大气环境温度影响，运行稳定可靠，效率大大提高，并且不会对周围环境产生热与噪声等污染，是国家鼓励使用的一种空调形式。地源热泵系统的特点及优势包括：

高效节能。地下土壤浅层温度一年四季相对稳定，热泵承受的动荷载小，磨损轻，使运行更稳定可靠，热泵寿命可长达20年，保证了系统的高效性和经济性。冬季地下水与土壤浅层温度为16～18℃，大容量地表水体温度为6～14℃，比环境空气温度高，所以热泵供热循环的蒸发温度提高，与空气源热泵及溴化锂直燃机相比，相当于减少35〜50%的能源消耗。夏季地下水与土壤温度为18～20℃，大容量地表水体温度为22～26℃，其温度均比环境空气温度低，冷凝压力降低，压差小效率提高，可以节约用户40～50% 的空调运行费用。

一机多用。地源热泵系统可实现供暖、供冷，可取代传统空调加锅炉的形式。在热源条件充分情况下特定的热泵机组还可提供生活热水，达到经济实惠，安全可靠，一机多用。

环境效益显著。地源热泵与空气源热泵相比，没有室外机那样热气流污染又破坏建筑物外观形象。与溴化锂直燃机及煤锅炉相比没有燃烧后二氧化硫及温室气体的排放，没有为燃料的存储所引发火灾及爆炸而担忧。更没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地。地源热泵是以水作为传热介质与大地土壤进行热交换，不需要消耗地下水资源，不会对地下水质产生污染。地源热泵系统能充分利用蕴藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循环再生，实现对建筑物的供暖和制冷。因而运行费用较低。比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%。比燃气炉效率提高48%。运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。

4生产集聚区集中式地源热泵水环系统的控制原理与特点

控制策略: 将各个末端空调设备的运行状态接入分栋设置的集中控制系统（分PLC），根据末端设备开启数量和型号所对应的流量计算出该栋水系统的总水流量，通过总线将设备运行状态和每栋流量数据传输到总控制系统（总PLC）进行计算，并以此为控制目标确定水泵的运行台数和频率，实现流量的供需平衡。同时对末端设备进行远程监测。在空调水源水的供回水总管处安装温度传感器、流量计及积分仪，计量热源水的总排热量和总取热量，计算数据传递给集中控制系统确定冷却塔所需排热量，同时作为冷热计费依据。

计费方式：在泵房的供配电柜内安装远传三相电能表，计算循环水泵、补水泵及冷却塔的用电量，并传递给集中控制系统，作为系统运行成本的计费依据。各建筑内的空调用户使用的空调设备用电量按户独立计量，并传递给集中控制系统，作为能量计费分滩依据。

换热井水系统控制：在7组换热井水系统出口处安装开关阀，在系统部分负荷时，关闭部分换热井组和水泵。控制系统设置自定义、流量计算两种控制方式。流量计算方式：根据末端空调设备启停数量所需的流量，以此确定开启水泵台数及换热井的组数，并按时间机制确定各组换热井开启和关闭。此外，在每组换热井的中部设置两个土壤温度传感器，数据传至集中控制系统，检测土壤温度的变化，以利于土壤热平衡的控制。

压差旁通阀控制：在用户侧集分水器之间设置压差传感器，根据所测量的压差信号与设定压差信号比较，自动PID计算压差旁通阀开度，以保证用户侧供回水之间压差的恒定。

水泵变频控制：7台空调水泵均设置变频控制系统，互为备用，并按时间机制运行。系统在部分负荷运行的情况下，根据系统实际所需流量与满负荷流量进行比较，确定水泵开启台数并自动调节水泵转速，以实现在空调部分负荷下线性调节空调水量，达到节约能源的目的。

冷却塔控制：冷却塔系统对土壤源换热水系统进行排热量补充。由于冬夏季工况不同，系统冬夏季土壤冷热交换存在差异，为了保证冷热量平衡，控制系统根据自动计量值进行冬夏季排取热量计算，并自动开启冷却塔进行排热量补充，以达到土壤全年取排热量平衡。集中监控系统根据安装在地源侧的流量传感器及温度传感器传递的信号，自动累积计算冬夏季换热量，计算出排放热量差值，以此确定冷却塔的放热量。夏季及春秋季制冷工况时，当室外温度湿球温度较低，有利于冷却塔换热时，优先启动冷却塔系统，开启冷却塔阀门，关闭相应组数地源换热井。在天气炎热时，地源侧优先启动。并保证热源水温基本恒定。

设备运行机制：均衡使用各水泵、冷却塔、换热井系统，除尽量均衡同组设备的使用时间外，还需均衡设备的启动次数，同时避免设备停用过久。根据水源水的取热量和排热量的比较确定冷却塔的启停及运行时间。

水系统的动态流量平衡：换热井组至水泵房之间的每个支路上安装限流型动态流量平衡阀，以保证每组井流量均衡。水泵房至每栋建筑的回水总管上设置动态流量电动平衡阀，并采用每栋建筑空调末端所需的流量与每栋支系统总流量的比较值控制动态流量电动平衡阀的开度，以保证每栋用户流量均衡。建筑内用户空调机组的回水管上安装电动二通阀，并与机组连锁。

5生产集聚区集中式地源热泵水环系统的具体应用

生产集聚区集中式地源热泵水环系统为总建筑面积60000平方米的8幢厂房提供水源水供能服务。配套设施主要有公用配电房、天然气、弱电、排污口、试剂仓库等。由于建筑节能标准为50%，医药类厂房设计标准，夏季冷负荷指标：办公120 w/m2，厂房180 w/m2；冬季热负荷指标：70 w/m2计算，总冷负荷约9600kw，总热负荷约4000kw。根据地质勘测和建筑的平面布置情况，先打测试井取得数据，采用双U管其夏/冬季排热、排冷量为65w/48w；再确定打井数量约1600口。针对园区属于高沙土地区的特性，其地下水年移动距离约58米，不易形成地下热岛效应的特点，充分利用可再生能源。冷热源采用埋管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统。该系统是以水作为冷热量载体，水在埋于土壤中的高密度聚乙烯管环路换热管道内与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。冬季循环水通过地埋管向土壤中排放冷量，使循环水温度升高，供给地源热泵机组。夏季循环水通过地埋管将热量排放到土壤中，使循环水温度降低供给地源热泵机组，在不满足总冷负荷情况下开启冷却塔。通过地源热泵机组给室内供冷、供热。

集中式地源热泵水环系统布置。集中式地源热泵水环系统分为采集系统和供能系统，其中：采集系统拥有1600多口地埋井，地下埋管深度达65m；热泵井采用双U管，垂直埋管并联方式，每个换热井采用大致同程的并联方式，直接接至检查井集分水器，每个回路设PE检修阀门；以满足地源热泵系统冬季最大排冷量来确定地埋管换热器的数量，夏季排热不足时用闭式冷却塔作为调峰方式，冷却塔系统亦可调节地下土壤热平衡。换热井的布置按区域分为7个采集系统，将相邻厂房、道路、绿化占地组成1个采集系统，相应连接成7个大系统，各系统地埋管可互为补充，尽量减少使用冷却塔，每个采集系统供回水主管接入泵房，系统管路为同程式；供能系统，循环水泵房至热泵机组的供回水系统按建筑单体划分为8个，管路就近连接到各栋建筑，空调水系统采用变流量系统，每个水系统的供回水管上安装动态水力平衡阀，确保系统的水力平衡。

地下换热器计算。根据地质结构、地下水位并参照《地源热泵系统工程技术规范》以及《地源热泵工程技术指南》，对建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量情况进行计算。长江流域地区夏季的排热量大于冬季的排冷量，考虑到地埋管热平衡问题，地埋井数量以冬季的排冷量为依据进行确定，夏季多余冷负荷用冷却塔来排热。

确定埋管管长。地下热交换器长度的选择除了已确定的系统布置和管材外，还需要有土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。在实际应用中，我们利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，根据测试井数据，采用双U管，土壤的换热能力为，夏季排热量为垂直埋管65w/m(井深)、 水平埋管33W/m(管长)，冬季排冷量为垂直埋管48w/m(井深) 水平埋管23W/m(管长)。

确定井数及间距。根据地质结构特点和实际情况，选取地源井深为65m，计算公式：N=L/（2*H），得每个建筑单体的地源井数量，由此可得地源井总数为1600口。孔径为110mm~150mm。孔与孔间距为5米，考虑到系统的水力平衡等因素，地下埋管环路设计采用同程式。

施工工期。从打井埋管施工开始，地下机房土建施工，众多管网铺设，机房设备安装，智能化安装调试，系统试运行等关键节点的完成，共计3个月工期。

验收情况。经省住建厅可再生能源建筑示范应用项目现场测评，结果显示：测评指标中的建筑节能率57.88%，系统能效比(EEP)夏/冬为3.7/3.27，机组性能系数(COP) 夏/冬为5.245/3.92，全年常规能源替代量1534.51吨标煤，二氧化碳减排量每年3790.24吨，二氧化硫减排量每年30.69吨，与风冷热泵方案相比每年节约费用396万元。该项目机房占地面积小且都在地下，其外部管网均深埋地下，仅在施工过程中对草坪有局部损坏，建成后不影响科研区的外部环境。

6结论

科学用能、合理用能是关键。要因地制宜，充分利用现场可再生能源资源，应用集成新技术、新设备、新工艺，提高能源综合利用效率，实现节能减排，减少温室气体排放，与自然环境和谐共生。

地源系统不应建得太大。通过中国医药城生产集聚区集中式地源热泵水环系统的应用实践，可知地源系统不应建得太大，虽然大系统调供能力较强，但系统的风险性同样较大，应选择适宜的系统规模。

正确认识动态流量平衡阀。流量平衡技术有待进一步完善，实际使用效果与技术介绍有一定差距，应用有局限性。

自控与人控的完美结合。不必过分追求高度智能化，在稳定、可靠、可控的前提下，选择智能控制与人工控制相结合的方式，不仅建造性价比高，而且系统的安全性、可靠性也高。

设备选型。设备选择不可一既而论，要依据使用场合和要求，有针对性的选用设备。集中式地源主机COP值高，运行的可靠性高，但不能同时实行供冷、供热，不能满足用户的个性化需求；分离式地源热泵机组，系统在初投资方面比集中式系统贵一些，可同时实行供冷、供热，缺点是系统设备的维修量大，小机组的安全性、可靠性有待进一步提高。

施工过程的控制。一是尽量提高埋管合格率，需注重埋管填料、灌浆方式和埋管动、静压试验；二是大口径PE管融焊时，需重视融焊管道的同心度，近4年的运行中已处置过一起大口径管道开裂事故，原因是管道融焊节点受力不匀。三是大量管网深埋地下，系统的安全隐患较大，建议在条件许可的情况下，结合综合管廊予以考虑。

运行管理出效益。三分技术、七分管理。必须重视运行管理，向管理要效益；针对不同的室外环境温度，制定相应的运行策略并通过行为节能，降低运行成本。

参考文献：GB50336-2005，地源热泵系统工程技术规范