烟台荣昌制药厂地源热泵方案及应用

颜士全　王德发　栾艳丽

提要：地源热泵技术是一种利用地球表面的低温低位热能资源，通过地下埋管换热的方式，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，既可供热又可制冷的高效、环保、节能的空调系统。本文详细介绍了烟台荣昌制药厂采用地源热泵系统为整个厂区提供冷、热源的设计施工方案， 特别介绍了地埋管的热响应试验测试报告。

关键词：低位热源 、地源热泵 、地埋管 、热响应试验

一、工程概况

烟台荣昌制药厂新厂区位于烟台市经济技术开发区生物医药工业园内，总规划用地为27.75公顷（合416亩），分为二期完成，总建筑面积为20万平方米，其中一期建筑面积7.8万平方米，由九个单体建筑组成，主要建设目的为医药产品生产、相关的技术研发、孵化和中试等，项目由荣昌制药、荣昌生物和同济大学三方合作完成。

该工程的规划目标是以用地内的良好生态条件为基础，通过整合周边市政和自然风景资源，借助国家和当地政府的扶植，围绕园区建设任务中最核心的功能，将企业建设成低碳生产、绿色办公、示范带动的高科技制药企业。

二、空调冷、热负荷的确定

九个建筑单体空调负荷由设计院提供（详见下附表一），若将所有单体空调负荷叠加则设计空调总冷负荷为8988kW，空调总热负荷为6103kW，考虑到每个建筑物功能的不同，使用的时间也不一样， 对不同的建筑按不同的使用系数计入到总负荷中，如下表中的使用系数取值从100%-0%，计算的空调总冷负荷为7423kW，总热负荷为5191kW。 一期工程共设置一个空调机房，由机房分三路进出水分别供二个车间及生活区（办公楼、餐厅、招待所、职工宿舍），二个车间为分别为单独回路，生活区为单独回路，为了便于管理及核算运行费用，每个回路单独设一套计量装置。

二、初投资费用、运行费用及对环境景程的分析对比：

为了选择最适合本项目的冷、热源系统，以下对地源热泵系统（方案一）与城市热网+冷水机组系统（方案二）这两种方案主要从经济性、节能性以及环境影响方面对比分析。

1、两方案的初投资费用分析：

1.1：地源热泵系统初投资费用： 地源热泵系统（不含室内末端系统）总投资费用为1830万元，其中主机340万元，机房内附属设备及安装费用、室外管网安装费用320万元，室外埋管费用1170万元。

1.2：城市热网加冷水机组系统的初投资费用：烟台市城市热网的收费标准为120元/平方米，7.8万平方米的建筑总投资费用为936万元；冷水系统中主机的的初投资费用为270万元（主机低于地源热泵主机），机房内附属设备及安装费用、室外管网安装费用330万元（较地源热泵系统增加冷却水系统的费用），总投资费用为1556万元。

2、两方案的运行费用分析

空调系统运行费用：根据美国ARI标准和中国行业标准JB/T4329-97，平均满负荷率一般为60%。

运行费用=装机容量×平均满负荷率×运行天数×每天运行时间×电价

2.1：地源热泵系统运行费用：

夏季运行费用：（305+45+45）×4×0.6×100×16×0.75=113.76万元。

冬季运行费用：=（382+45+45）×3×0.6×135×16×0.75=137.62萬元。

冬、夏两季运行总费用为251.39万元，折合为32.23元/平方米。

2.2：城市热网加冷水机组系统的运行费用：

冬季运行费用分析：烟台市城市热网收费标准为26元/㎡计算，冬季运行费用为202.80万元。

夏季运行费用分析：相同的空调冷负荷，由于冷水机组的冷凝温度高于地埋管系统的冷凝温度，其耗功高约20%，水泵的功率相同，冷水机组系统的运行费用为（305×1.2+45+45）×4×0.6×100×16×0.75=131.33万元。

冬、夏两季运行总费用为334.13万元，折合为42.84元/平方米。

备注：运行费用的计算条件如下：

①夏季空调运行100天，冬季空调运行135天；

②按空调每天平均运行16小时计算；

③平均满负荷率一般为60%；

④电价按0.75元/度，空调总面积7.8万平方米；

⑤冬季开3台机组供暖. 夏季开4台机组制冷。

3、两方案对比分析结果如下：将两种方案的初投资费用、运行费用、环境影响分析对比如下 ：

通过对两种方案的初投资费用、运行费用及环境影响的分析比较得出，方案一虽然初投资费用比方案二高274万元，但每年可节约运行82.74万元，静态投资回收年限仅为3.31年，且每年可节约标煤458吨，减少二氧化碳排放量1245吨/年，减少二氧化硫排放量40.6吨/年。

三、空调热源的配置方案

1、冷、热源的配置方案

根据设计的冷、热负荷，设计选用四台LSBLGR-2280MD 型满液式半封闭螺杆地源热泵机组为整个厂区实现夏季供冷、冬季供暖，其中一台LSBLGR-2280MD机组使用冷却塔散热。地源热泵机组在夏季冷水进出水温度12℃/7℃，冷却水（地埋管循环水）进出水温度25℃/30℃，冬季空调热水进出水温度40℃/45℃，冷水（地埋管循环水）进出水温度6℃/3℃的标准工况条件下，其性能参数如下：

由以上参数可知，夏季四台机组总的制冷量为7027KW，冬季三台地源热泵机组总的制热量为5073KW （另外一台机组可以做为备用机组）， 完全可以满足设计要求。

2、机组的运行方案：本方案空调机组选择了四台双压缩机头地温中央空调机组，每台压缩机都可以互为备用，实际使用中可以根据建筑物的实际负荷更好的调节机组的使用率，进行不同档位的加载，从而降低运行费用；并且每个压缩机头都可单独运行，能够相互作为备用，对系统的安全起到保护作用。

夏季机组处于制冷状态，其中三台机组向土壤释放热量，一台机组向大气释放热量，为室内末端提供空调冷水，满足空调供冷要求。

冬季四台机组互为备用，最大负荷时开三台机组 ，为室内末端提供空调热水，满足空调供暖要求。

3、机房主要设备总配电负荷及机房面积

本方案机房机房内所选设备的最大用电负荷按夏季四台机组全开，约1606KW（包含主机、循环水泵，不含备用泵），配电功率不小于1800kW ，电源采用380V，50HZ三相四线制.

设计机房占地总面积：12 m×26m=312平米 。

五、地源换热器计算：

该工程在方案实施前已经对拟打孔部位进行了勘探，根据勘探单位提供的《地质勘探及岩土热响应试验测试报告》，该工程共钻凿换热试验孔4个，分布在打孔区域的四个不同位置，每孔的深度为102-105米，以1#为例，地质层标高由上及下分别为粘土层-7.0米（厚7米），砂层-8.5米（厚1.5米），强风化砂岩-17.0（厚8.5米），青白色岩石属石灰岩-90（厚73米），灰红色岩石属石灰岩-105（15米）。

测试报告显示：当地土壤平均温度为14.9℃，4个测试孔的土壤综合导热系数分别为2.882W/（m.K），3.224/（m.K），2.953W/（m.K），3.295W/（m.K），在设计工况下夏季的换热量如下表：

以上数据是根据在测试条件的特定工况下计算出的参考值，期换热量是在单孔不受周边孔群影响情况下的计算值，该项目本身打孔区域比较集中，且孔数较多，系统正常运行时单孔换热量受周围其它孔群影响较大，保守取值按70W/m。

综合土壤热物性报告，设计地源换热器采用垂直埋管形式，井中敷设两路（双U型）管径为φ32的PE管道，井深120米（受打孔位置的限制），井间距为4.5*4.5米。冬季工况每口井的换热量为4.5×1.2=5.4kW，夏季工况每口井的换热量为 7×1.2=8.4kW 。

夏季空调制冷需要打孔数N=1792×3（1+1/5.88）/8.4=748

冬季空调制热需要打孔数N=5191（1-1/4.42）/5.4=744口

本方案按冬季数量增加8%，即按800口井考虑，夏季多余的热量由冷却塔释放 。

六、结论

地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵技术， 虽然与对比方案相比，投资费用高15%，但每年可节约运行费用25%（静态回收期仅为3.31年），且减少了对周围环境的污染及排放量，是理想的环保、节能空调系统。

参考文献：

【1】GB 50366-2006地源热泵系统工程技术规范

【2】煙台荣昌制药基地地源热泵工程地质勘察及岩土热响应试验测试报告

【3】CJJ34-2002城市热力管网设计规范