以地熱能為主的復合式能源站項目設計管理要點

張亞，謝棟輝

（北京市地熱調查研究所，北京102218）

1 引言

隨著全球生態環境、氣候變化和能源危機形勢日益嚴峻，2020 年中央經濟工作會議首次將“做好碳達峰、碳中和工作”列為2021 年的重點任務之一。 以優先發展可再生能源為特征的能源革命也成為必然趨勢。 地熱能、太陽能、風能等可再生能源將逐漸由傳統意義的補充能源轉變為替代能源、 主力能源[1]。而在這幾種可再生能源中，地熱能又以不受氣候影響、熱能利用率高、建設周期短、無污染、不占地面空間等優勢廣泛運用于綠色建筑的能源供應。 與建筑能源密切相關的淺層地熱能利用技術——地源熱泵系統可以替代區域鍋爐房，2017年全國地源熱泵裝機容量達2 萬MW， 年利用淺層地熱能折合標準煤1 900 萬t，2019 年我國地源熱泵供冷供熱建筑面積達8.4 億m2[2]。本文對以地熱能為主的大型能源站項目實施過程中所遇到的設計管理情況進行總結歸納， 為以后類似項目的設計及管理工作提供參考。

2 以地熱能為主的能源站項目背景

《“十四五”可再生能源發展規劃》指出，重點在具有供暖制冷雙需求的華北平原、長江經濟帶等地區，優先發展土壤源熱泵，積極發展再生水源熱泵，適度發展地表水源熱泵，擴大淺層地熱能開發利用規模。 《“十四五”現代能源體系規劃》中提道：因地制宜發展可再生能源，積極推進地熱能供熱制冷。在《北京市“十三五”新能源和可再生能源發展規劃》中提出創建城市副中心行政辦公區“近零碳排放示范區”，在行政辦公區重點打造以地熱能為主， 常規能源供熱為保障的綠色低碳供熱系統，運用能源運行信息智慧調節技術，實現新能源和可再生能源與常規能源系統的智能耦合運行。 到2020 年，行政辦公區率先建成“近零碳排放示范區”，新能源和可再生能源利用比重力爭達到40%以上， 城市副中心整體區域新能源和可再生能源利用比重力爭達到15%以上[3]。

單一的地源熱泵系統根據不同地域的氣候情況末端冷熱需求不能完全保持一致， 同時不同地域的地質條件和結構也不盡相同、土壤差異較大，故單一的地源熱泵系統長時間運行會出現從土壤中的取熱量與往土壤中排熱量不均導致土壤溫度失衡等問題，也無法實現全過程的供能[4]，從而導致單一的地源熱泵系統隨著時間的延長供能情況越來越差。 復合式地源熱泵能源站項目建設順應國家改革方向和政策要求， 既可以充分利用地熱能來減少碳排放， 還可避免因冷熱釋放不均而出現的地熱不平衡的問題， 為地源熱泵系統的長期運行及經濟性提供保障，同時提高新能源利用效率，加強城市能源保障能力，驅動潛在需求轉化為現實市場，加快城市可再生能源區域布局的步伐。

復合式地源熱泵能源站是在原有的地源熱泵系統上加以輔助設備（見圖1），如地源熱泵+ 鍋爐、地源熱泵+ 冷水機組、地源熱泵+ 冷水機組+ 水蓄能、地源熱泵+ 太陽能、地源熱泵+ 空氣能熱泵等多種方式，其主要目的在于為用戶帶來更高效、超長使用的效果，如北京城市副中心模式和合肥熱電塘西河模式[5]。 而復合式地源熱泵能源站的設計管理對項目各種能源的耦合設計和實施落地提供了保障，對項目的經濟性和減碳量進行綜合把控， 從而避免項目實施中設計、施工、運營粗放管理，導致項目無法達到理想的節能效果和供能效果。

圖1 復合式能源站示意圖

3 復合式地源熱泵能源站設計前期規劃及方案的重點

復合式地源熱泵能源站項目以安全可靠、節能、低碳為原則指定能源站方案，充分、合理利用可再生能源，提升可再生能源利用率，減少碳排放。 能源站的方案以地熱能為主、其他能源為補充；充分利用蓄能、能源調峰技術優化系統，平衡項目投資、運行經濟性。

3.1 地熱情況的評估與測試

確定采用地熱能之前， 建設單位需要評估項目所在地的地熱情況，包括淺層、中層和深層的地熱情況，對能源供應范圍內地質條件做巖土熱響應試驗，進行鉆孔試驗，確定地埋孔熱物性參數， 然后根據具體的地質結構和溫度確定項目采用地熱的形式以及能源提供與轉化的方式。

3.2 復合式地源熱泵能源站的規劃及選址

能源站項目前期勘察和選址應全面考慮能源站供應范圍內建筑性質、噪聲、環境保護等情況，宜設置在中心位置，但仍需考慮后期運營及檢修的便利性，可以單獨設站，也可以設在建筑的地下室。 建設單位和規劃單位充分溝通確定能源站的選址，明確選址的優缺點。 對于選址導致后續問題，應事先預判，并協調設計院提出可行性的方案和措施。

3.3 地埋管區域的規劃

項目應據測試孔的熱物性參數確定采用地埋管換熱器類型、孔深、間距和孔徑。 通過對能源站供應范圍內的負荷估算以及地埋管的參數，可以確定地埋管的數量以及需要的面積，然后和園區規劃單位協調并確定地埋管的區域， 優先考慮設置在綠地、 道路等下方， 如面積不夠可考慮設置在建筑物下方，但需要和單體建筑進行緊密配合。

3.4 能源供應方案分析及確定

復合式地源熱泵能源站項目需要根據多次系統比較和可行性分析，最終確定除地源熱泵為主要冷熱源外，輔助冷熱源的方案以及節能經濟方案， 目前很多項目采用地源熱泵+ 水蓄能/ 冰蓄冷+輔助冷熱源。水蓄能/ 冰蓄冷的“削峰填谷”作用穩定了電網，降低了運行成本，提高了系統可靠性；輔助冷熱源作為調節地下冷熱平衡的手段， 多種能源形式可提高系統的安全性，平衡地溫場，有效增強系統的經濟性。 另外，需要分析地源熱泵的裝機比以提高可再生能源利用率， 滿足區域的主要冷熱需求。

4 復合式地源熱泵能源站設計特點

復合式地源熱泵能源站項目設計管理以 《建設工程勘察設計管理條例》（2015 年）為基本，在設計管理過程中，嚴格要求設計單位按照現行國家、地方、行業等設計和施工相關法規規范，以及在設計合同中關于項目的功能、目標和需求等進行針對性設計。

1）與常規能源站相比，復合式地源熱泵能源站項目的開發流程需要增加前期地質勘察和室外地埋管這兩個流程，項目在設計、施工、招標及運營階段需要與不同的設計單位進行設計及配合。 一般來說， 復合式地源熱泵能源站項目須由勘察、建筑、市政等多個設計資質的設計院來承擔設計工作。

2） 復合式地源熱泵能源站項目涉及專業非常多， 包括暖通、地質、給排水、電氣、建筑、結構、規劃、市政、園林等專業，專業之間的配合很重要，同時因為工期緊的原因，施工單位也很多，另外還涉及整個能源系統的自控施工設計，形成智慧能源，為后期運營的自動化及經濟性提供基礎。

3）復合式地源熱泵能源站項目設計范圍大，涵蓋了室外地埋管系統設計、能源輸配管線系統設計、能源站設計等，部分項目可能還需要進行單體二級站的設計， 且須統籌考慮能源站服務單體的能源類型。 在設計管理過程中，復合式地源熱泵能源站項目的可行性研究報告中確認能源耦合的方式，合理考慮多種能源形式的使用比例以及耦合形式， 設計中以此為依據進行下一步設計方案工作， 設計方案需要滿足投資的經濟性、項目的功能性等要求。

4）地源熱泵采用的是淺層地熱能，屬于可再生能源，大部分均有地方政策補貼，比如，北京市發展和改革委員會等單位于2019 年制定的《關于進一步加快熱泵系統應用推動清潔供暖的實施意見》中關于加大政府扶持力度，提到市政府固定資產投資對新建、 改擴建熱泵系統熱源和一次管網投資給予30%的資金支持（投資支持范圍包括：地埋管、再生水、污水取熱裝置及配套設施，設備機房，熱泵機組及配套設施，設備機房至用戶建筑間一次管網，智能控制及監測系統等）；《重慶市可再生能源建筑應用示范工程專項補助資金管理暫行辦法》規定：對利用可再生能源熱泵機組的空調，按機組額定制冷量每千瓦補貼人民幣800 元； 利用可再生能源提供生活熱水的高溫熱泵機組，按機組額定制熱量每千瓦補貼人民幣900 元。所以， 在確定采用可再生能源設計前， 需要熟悉各地補貼政策，同時要求設計的優化工作越來越高，以確保投資回收年限以及投資回報率。

5）復合式地源熱泵能源站系統相較于常規能源系統，多能耦合系統較復雜、設備類型較多、投資較大，為保證最大限度地利用地熱能以及合理利用其他能源，在設計、施工、自控和運營上需要高標準、嚴要求，設計管理中確定地熱能的合理使用比例， 才能使設計的節能環保初衷在最后的運營上體現出來。

6）由于能源站供應范圍較大，且新項目的建設有先后，能源站建設單位應要求設計單位在制訂設計方案時正確處理近期建設和遠期儲備的關系， 尤其是做好后期預留設計和進場施工的條件。 同時設計方案需要具備一定的前瞻性，充分考慮智慧能源的趨勢，預留升級改造空間。

7）設計管理中需要設計考慮能源站供應的建筑單體性質，充分滿足用戶需求的穩定性和復雜性的同時，也要考慮設計方案的經濟性和合理性。

8）建設單位應做好設計優化工作管理。 在項目實施過程中，因現場環境、技術實施的變化，以及設備采購和后期運營等不斷優化，部分設計需要進行優化工作，所以，建設單位應做好設計優化工作，降低投資、工程建設和運營成本。

5 項目實施中設計管理重點

一般的建筑類項目設計內容雖不盡相同，但設計管理一般歸結于對5 大要素的管理，即設計的進度管理、設計質量的管理、造價（投資）的管理、設計變更的管理和設計合同管理[6]。 復合式地源熱泵能源站項目除以上5 個要素的管理外，因項目要達到可再生能源利用率、投資回報率等指標，更注重節能性和后期運維的延續性，為項目后期的穩定運行和盈利打好基礎。

1）建設單位擬定項目實施進度，組織設計單位根據項目進度提供出圖計劃，確保不影響施工進度，并定期檢查設計進度，如有變化，應協調設計單位分析原因，根據工程進展，及時調整設計進度。

2）在項目設計階段時，建設單位應督促設計單位與能源站相關的其他設計單位或建設單位積極配合， 了解項目周邊和界面的設計及建設情況， 避免與能源需求單位的建設不一致導致經濟損失。

3）項目必須完善設計審查流程，嚴格執行“完成資源評估報告—開展可行性研究報告編制—完成可研審查—開展初步設計—完成初設審查—開展施工圖設計”的設計編審流程，認真落實各環節審查意見[7]。建設單位根據項目所在地的圖紙審查要求，安排設計單位做好施工圖紙內外審工作，設計單位及時按審圖意見進行圖紙修改工作[8]。

4）建設單位應要求設計單位做好設備選型工作，并在設備表中對設備參數進行細致說明。 比如在地源熱泵的選型中，設計院應對比多家設備的參數，明確設備在制冷、蓄冷、制熱、蓄熱等工況下的實際參數， 同時還需要寫明熱泵機組COP值、制冷劑類型、機組參考重量和尺寸、機組噪聲等參數，所有設備的參數不能有唯一性和指向性， 需要滿足招標和現場施工的要求。

5）能源站施工圖紙完成后，建設單位組織設計單位、監理單位、施工單位對施工圖設計文件進行圖紙會審工作，形成圖紙會審記錄，4 方進行簽字確認。同時設計單位應向建設單位、監理單位、施工單位等單位對設計目的、施工中的重難點以及項目實施中的注意事項進行交底工作。

6）部分由施工單位或者設備廠家二次設計的內容，項目建設單位應組織設計單位進行土建及配套設施的設計配合，并在二次設計圖紙上簽字蓋章確認。

7）項目實施過程中，建設單位應組織設計單位做好施工配合工作。 在發現設計圖紙與現場情況不符的地方，應協調設計單位、施工單位根據現場情況共同協商出解決方案，設計單位及時進行現場驗收。 如設計圖紙需要變更，則遵循設計變更由設計單位出具，工程洽商由施工單位出具的原則，但根據項目實施的具體情況，無論是設計變更還是工程洽商，均需要建設單位、監理單位、設計單位、施工單位等審批、會簽和蓋章后方可實施，變更或洽商均需要遵循原有的設計原則，不能降低設計、施工和使用標準；當項目出現方案性的變化或者大范圍的變化時，建設單位必須重新組織圖紙會審及設計交底工作；在設計變更單簽字蓋章發放后， 設計單位應整理相關的電子和紙質文件交由建設單位統一存檔管理。

8）復合式地源熱泵能源站項目實施完成后，將設計資料移交給運營團隊，設計資料包含設計負荷計算文件、施工設計圖紙、竣工圖紙（竣工圖紙需要確認是由設計院還是施工單位繪制）、自控方案及設計、設計運行方案等。 運營團隊根據項目能源實際供應的特點，對以上資料進行深化，形成最終的、最節能的、供能效果最優的運行策略。

6 結語

目前，在“雙碳”目標下，地熱能雖然迎來了巨大發展，對調整國家電力結構和加大清潔能源比例起到推進作用， 但在項目投資、建設和運營過程中，如何做到環保與經濟雙贏是做好設計管理的根本準則。 地源熱泵技術使地熱能得以實施，它涉及地質、暖通、自控等多個專業[9]，復合式地源熱泵能源站項目的設計管理是一項涉及多專業多學科的管理工程， 不僅是建筑項目的管理，更涉及地質、投資等方面的管理。 優質的設計管理對于節約項目成本和提高項目收益是非常有效且非常必要的， 對于提高復合式地源熱泵能源站項目的可再生能源利用率起到重要的作用。