地源熱泵系統工廠應用案例分析

楊亞鵬

常州迅石項目管理咨詢有限公司（213161）

0 前言

地源熱泵制熱要比常規的電制熱或燃油、燃氣制熱經濟，制取相同的熱量，地源熱泵的耗電量通常只有電制熱耗電量的1/4 到1/5。因此，地源熱泵市場廣闊。

到2020年，我國地熱供暖面積將達到12.5 億m2，地熱發電裝機容量將達到25 萬kW，地熱能年利用量達到5 000 萬t 標準煤，形成地熱能資源評價、開發利用技術、關鍵設備制造、產業服務等比較完整的產業體系。

1 地源熱泵系統概述

地源熱泵是通過輸入少量的高品位能源(如電能等)，實現陸地淺層能源由低品位熱能向高品位熱能轉移的裝置。通常地源熱泵消耗1 kWh 的電能，用戶可以得到4 kWh 以上的熱量或冷量。地源熱泵是以巖土體、地層土壤、地下水或地表水為低溫熱源，由地源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱中央空調系統。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。地源熱泵供暖空調系統主要包括室外地源換熱系統、地源熱泵主機系統和室內末端系統三個部分。

地源熱泵機組運行時，不消耗水也不污染水；不需要鍋爐，不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料廢物的場地，環境效益顯著。地源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比可以減少40%以上，與電供暖相比可以減少70%以上；其制熱系統比燃氣鍋爐的效率平均提高近50%，比燃氣鍋爐的效率高出了75%。

2 案例簡介

本案例為伊維氏傳動系統（平湖）有限公司新建廠房，投資者為德國伊維氏汽車系統兩合公司（iwis motorsysteme GmbH&Co·KG），此公司在業界享有很高的地位和聲譽。公司的客戶包括寶馬，奔馳，奧迪，保時捷等著名的汽車生產商。由于高端汽車整車廠對汽配產品要求苛刻，伊維氏對新工廠提出了很高的要求，包括生產車間和儲藏車間都需要做到恒溫。

工廠位于獨黎公路以北新興一路以東的狹長區域，總占地面積為19 480.3 m2。工廠分兩期建設，一期總占地面積為11 948 m2，總建筑面積約8 000 m2。

3 系統設計

為了在保證正常需求的同時兼顧節能因素，為業主方提出多種新能源節能方案，包括地源熱泵、太陽能、風能等。最終地源熱泵系統以其地域覆蓋面大、性價比高、維護保養簡單等多項優勢獲得了業主方的青睞。

在項目開展之前，對現場開展了地源熱泵巖土熱響應試驗。確定單位單U 埋管延米放熱量和取熱量分別為54.7 W/m 和40.2 W/m。管群及地埋管數量設計取安全系數為1.05～1.1，即在參考單位延米放（取）熱量計算得到的埋管設計數量后，再乘以1.05～1.1 的系數。

室外地源換熱系統采用垂直埋管--深層土壤全封閉系統。垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50～150 m 深處，一組或多組管與熱泵機組相連，封閉的塑料管內的防凍液將熱能傳送給熱泵，然后由熱泵轉化為建筑物所需的暖氣和熱水。

地源熱泵主機系統采用特靈RTWDCH530 機組。此機組的出水量在65～125 t 之間，出水溫度最高45 ℃。圖1 是該螺桿機機組示意圖。

熱泵機組裝置主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態工質（制冷劑或冷媒）不斷完成“蒸發（吸取環境中的熱量）→壓縮→冷凝 （放出熱量）→節流→再蒸發” 的熱力循環過程，將環境里的熱量轉移到水中。壓縮機起著壓縮、輸送循環工質，使其從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統的心臟；蒸發器是輸出冷量的設備，它的作用是使經節流閥流入的液態制冷劑蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的；冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發器中吸收的熱量連同壓縮機耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的；膨脹閥或節流閥對循環工質起到節流降壓作用，并調節進入蒸發器的循環工質流量。根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環工質不斷地從低溫環境中吸熱，并向高溫環境放熱，周而往復地進行循環。

圖1 特靈水冷螺桿機RTWDCH530 機組示意圖

地源熱泵的COP 值達到了4 以上，按照本機組50 kWh 的耗電量，用戶可以得到大約200 kWh的熱量或冷量。

地源熱泵空調系統的夏季總冷負荷為950 kW、冬季總冷負荷為750 kW，冷凍水供水和回水溫度為7 ℃～12 ℃，空調熱水供水回水溫度為45 ℃～40 ℃。地源熱泵U 型管地埋深度為100 m，夏季放熱量為55 W/m，冬季吸熱量為40 W/m。為了達到需求的冷熱交換量，共設計管井299 個，所有管井均位于道路、停車場等下方。每8～10 口井為一組，通過橫管聯通至集水井中。

4 施工安裝

因為工廠位于狹長地塊，地源熱泵U 型管埋設區域占了很大的面積，并且與雨水管、污水管、消防管和給水管交錯，所以施工難度很大。地埋U 型管井的施工大致在項目的中期開始，由一個施工小組完成所有的打井施工，299 口井大致花費了2 個月的時間。地埋U 型管井全部施工完成之后，將豎埋管道每8～10 個為一組，通過橫管集中到了辦公樓附近的集水井中。這個集水井可以通過手動開關每組U 型管地埋井組（如圖2 所示）。

圖2 地源熱泵U 型管集水井

從集水井出入的管道通往空調機房。空調機房是整套地源熱泵系統的核心部位。整套設備在2 個月內安裝到位，包括螺桿機、水泵、蒸發器等。

系統壓力測試完畢之后，進入試運行階段。試運營過程中，系統運行穩定，室內溫度在設備運行30 min 之后可以達到22 ℃（冬天室外溫度在0～5℃）。整套設備連續運行48 h 無不良情況。

5 結語

與伊維氏上海工廠相比，伊維氏平湖新廠的面積增加一倍，但是空調系統的耗電量基本持平（上海工廠3 000 m2廠房每月7 萬元電費，空調耗電量大致占50%）。整套系統的成本在200～300 百萬元之間，3～5年減少的運營成本就可以抵扣這套系統的費用。地源熱泵的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內，從而避免了室外惡劣氣候的影響。機組緊湊、節省空間，維護費用低。機組的自動控制程度較高，可實現無人值守。

我國是制造業大國，制造類企業是耗能大戶。地源熱泵等新能源系統在工業領域的廣泛應用，不但可以降低工業運營成本，還能促進我國節能減排事業的發展。