综合能源社会化投资合作项目供冷供暖系统工艺设计装机规模、地埋管系统

装机规模热泵与冷水机组装机由负荷分析章节可知，本项目冷热负荷指标较大，全校热指标为119W/㎡，冷指标为206W/㎡。考虑同时使用系数后，全校热指标为91.26W/㎡，冷指标为144.20W/㎡，宿舍平均热指标为45.7W/㎡，与其他类似工程相比，仍处于较高水平。空调系统按乘以同时使用系数后的设计热负荷装机可满足峰值负荷。本项目冬、夏空调设计负荷差异显著，夏季空调冷负荷大，热泵系统按冷负荷、热负荷中的较小者（空调热负荷）进行选型配置，夏季超出部分的冷负荷由冷水机组承担，即本项目热泵装机采用“以热定冷”模式。综上，热泵系统供热按照设计空调热负荷装机，不考虑附加。冷水机组装机补充热泵机组供冷量不足部分，供冷总装机按空调设计冷负荷，不考虑附加。市政热力装机由于散热器供暖热负荷峰值比设计热负荷大，同时散热器供暖热指标偏大，因此市政热力换热器装机在设计热负荷基础上乘以1.1的附加系数，可满足峰值负荷和供暖安全要求。同时本项目所在地区为寒冷地区，一台换热器故障停运时，剩余换热器的总供热量仍能满足设计供热量的65%。装机汇总综上，地源热泵系统供热装机按空调设计热负荷100%，冷水机组装机装机补充夏季地源热泵供冷不足部分，地源热泵与冷水机组总供冷量按空调设计冷负荷100%。市政热力装机按供暖设计热负荷的1.1倍装机。能源站装机及供热装机占比区域建筑类别冷热源装机量（MW）供热装机占比南区能源站散热器供暖建筑市政热力8.8113.10%集中空调建筑地源热泵36.7754.69%冷水机组11.23—北区能源站散热器供暖建筑市政热力8.2812.32%集中空调建筑地源热泵13.3719.89%冷水机组3.03—南、北区能源站供暖可再生能源装机占比为74.60%，传统能源（市政热力）装机为25.40%。根据招标文件所提供内容，本项目外供暖传统能源供暖装机约2.52MW，可再生能源供暖装机约1.52MW。对学校整体可再生能源装机占比影响很小，因此本项目能源站装机可满足全校供暖系统可再生能源大于60%的要求。本项目能源站可再生能源装机占比地埋管系统地埋管系统需求（1）土壤热物性数据情况根据房山良乡区域同类项目的现场试验孔岩土热响应试验数据反馈：该区第四系主要为河流相沉积物，厚度在20-30m，156m以浅地层岩性以粘土、细砂、砂卵石及砂岩、泥岩为主。从地质条件方面讲，较为适合采用地埋管地源热泵系统进行制冷供暖。岩土综合导热系数为1.90W/（m·K），夏季地埋管每延米换热量取为54.8W/m，冬季每延米换热量取为30.6W/m，准确数值需中标人后续自费进行相关试验获得。综合考虑招标文件提供的土壤热物性数据以及我司对本项目周边区域同类项目的岩土热响应试验数据掌握情况，本项目地埋管系统冬季地埋管每延米换热量设计为33.0W/m，夏季地埋管每延米换热量设计为53.0W/m，孔深设计为200m。地埋换热器孔布置要求学校预留用地和楼座下不可打地埋孔，学校预留用地范围如下图：便于合理划分闭门换热器的分组以及汇聚。保证系统的使用安全。打孔区域的选择须按以下优先级执行：第一优先级为操场、停车场、公园绿地（含代征绿地），第二优先级为楼宇周边小市政区域。仅当上一级区域完成全部布孔，且经采购人书面批准同意后，方可进入下一级区域开展打孔施工。代征绿地内地埋孔上方覆土厚度不得小于3米且不得影响后续种植。代征绿地内打孔的相关审批手续办理、施工后场地恢复工作，以及本项目所有区域打孔施工产生的全部费用，均由投标方承担。初步拟定可打孔区域如下图所示。注：图中为初步拟定可打孔区域

区域位置性质拟可打孔区域面积（㎡）备注北区（绿色）NB2图书馆北侧、东侧公园绿地，NC2教学楼楼宇周边区域，NC2操场。公园绿地、操场、楼宇周边小市政区域。48000第一优先级为操场、停车场、公园绿地（含代征绿地），第二优先级为楼宇周边小市政区域。南区（蓝色）SA1体育馆北侧公园绿地及操场，公园绿地（含代征绿地）操场、楼宇周边小市政区域。82000浅层地热地质条件（1）基础地质条件①构造断裂项目位置在构造上位于良乡向斜西南部地区，区域分布有良乡南断裂及南苑-通县断裂。a)良乡南断裂位于市境内，南起房山良乡镇，向北东经丰台、前门等地，直至顺义区附近，全长约90至120公里不等。该断裂的总体走向为北东向，即北偏东约20°~45°。良乡南断裂主要表现为右旋拉张正断的活动性质，其活动时期主要集中在中生代以及新生代，持续到晚第三纪。然而，第四纪以来尚未发现有活动的迹象，这表明该断裂在当前地质时期可能处于相对稳定的状态，但顺义地区在1996至1997年期间发生了多起二级以上的地震活动。这些地震活动多分布在构造断裂活动周围附近，与顺义-良乡断裂存在一定的空间关联。b)南苑-通县断裂南苑-通县断裂是南部平原地区的一条主要控制性断裂,是划分迭断陷和大兴迭隆起的分界断裂，其总体呈北东向展布，南起河北省涿县的塔上,经房山区的刁窝、码头镇、两间房、葫芦垡,穿过永定河之后继续向北东延伸,沿南苑镇、大红门、高碑店、定福庄、双埠头、平家疃至顺义的北务一线展布，全长约为110km。断裂总体走向为北东35°~50°，倾向北西，倾角约40°~60°。②地层根据第四系厚度等值线图可知，项目位置第四系厚度为40-50m（见下图），地层在200m范围内以粘土、细砂、砂卵砾石、泥质砾岩、泥岩及白云岩为主，钻孔显示地下水位埋深在15m左右。工作区第四系厚度分布图（2）地热地质条件根据《市平原区浅层地热能资源开发利用适宜性分区图》可知项目处于地埋管地源热泵系统地质条件较适宜区。市平原区浅层地热能资源开发利用适宜性分区图地埋换热管设计（1）设计参数综合考虑招标文件提供的土壤热物性数据以及我司对本项目周边区域同类项目的岩土热响应试验数据掌握情况，本项目地埋管系统冬季地埋管每延米换热量设计为33.0W/m，夏季地埋管每延米换热量设计为53.0W/m，孔深设计为200m。为避免地埋换热孔间的热干扰，按照《地埋管地源热泵系统工程技术规范》（DB11/T1253-2022）中规定：“钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足间距需要，间距宜为3～6m。”，结合本项目的具体特点综合考虑，钻孔间距按4×5m，孔径不小于150mm进行设计。最终孔数n=max（n1，n2）式中：n1—按照冬季工况计算地埋孔数量，个；n2—按照夏季工况计算地埋孔数量，个；Q制热—地源热泵总制热量，kW；Q制冷—地源热泵总制冷量，kW；COP—地源热泵冬季能效；EER—地源热泵夏季能效；α取—地源热泵单米取热量，W/m；α排—地源热泵单米排热量，W/m；L—地埋孔设计深度，m；经计算，北区能源站地源热泵系统需要地埋换热孔数量为1580个，为保障系统运行安全可靠运行，考虑5%的富裕量，最终设计北区换热孔数量为1660个；南区能源站地源热泵系统需要地埋换热孔数量为4337个，为保障系统安全可靠运行，考虑5%的富裕量，最终设计南区换热孔数量为4553个。北区和南区合计的换热孔数量为6213个。3)地埋换热管主材地埋管质量符合国家现行标准相关规定，管材等级PE100；垂直地埋管采用直径32mm聚乙烯管HDPE100SDR9，承压2.0MPa；水平连接支管道采用直径40mm聚乙稀管HDPE100SDR11，承压1.6MPa；水平连接主管道采用聚乙稀管HDPE100SDR17，承压1.0MPa。4)地埋孔位置打孔区域的选择严格按以下优先级执行：第一优先级为操场、停车场、公园绿地（含代征绿地），第二优先级为楼宇周边小市政区域。代征绿地内地埋孔上方覆土厚度不小于3米且不影响后续绿化种植。北区地埋孔布置图南区地埋孔布置图（紫色）地温监测孔（1）设置目的土壤换热器采取地温场的长期监测措施，通过监测的实际数据以判断土壤换热器的排取热量情况，指导系统采用合理的运行模式，保证土壤热平衡，使整个系统始终处于安全可靠并节能最大化的状态下运行。（2）监测孔种类与功能换热监测孔：通过在换热孔内下入温度传感器，用于监测地埋管换热器换热过程中其周边地层温度变化的换热。影响监测孔：通过在钻孔内下入温度传感器,用于监测换热孔温度变化影响范围的钻孔，一般布设于换热孔间或布孔区域周边5m距离内。常温监测孔：通过在钻孔内下入温度传感器,用于监测不同季节地层原始温度的钻孔,一般布设在换热孔布设区域边缘10m距离外。监测孔数量及位置规划原则地质环境影响监测孔总数量不应少于2个，且换热孔数量大于300个的区块应至少布设1个；换热监测孔的位置，宜包含布孔区域的中心和边缘;影响监测孔的位置宜包含布孔区域内部和外围；监测孔的布置宜考虑地下水流动方向；温度传感器布设在竖直方向上，不同监测孔内的温度传感器排布深度宜相同。监测孔数量本项目设置换热监测孔、影响监测孔及常温监测孔3种类型监测孔：①北区设置2眼温度监测孔(参与换热)，2眼影响监测孔(不参与换热)，1眼常温监测孔(不参与换热)；②南区设置8眼温度监测孔(参与换热)，8眼影响监测孔(不参与换热)，1眼常温监测孔(不参与换热)。地埋管监测孔对地温场温度实施连续在线监测，实时监测地温场温度变化情况。系统具有温度实时监测、超限报警、温升温降速率超限报警、对地温场的地埋管群间热干扰，地埋管的传热性能实现智慧化监测和分析。检测孔大样图温度监测孔图：影响监测孔及常温监测孔图：土壤热平衡分析（1）静态储量的计算静态储量是指地表以下一定深度范围内岩土体中所蕴藏的热量（包括岩土体颗粒、岩土体中含的水和岩土体中所含空气的热量），项目区地下水位埋深为15m。根据体积法计算浅层岩土体浅层地热容量，并评价系统年度运行条件下冷热负荷与浅层地热能量之间的均衡关系，计算面积按地埋管换热孔占地面积：本项目北区需钻凿换热孔1658个，换热孔的间距为4×5m，单孔的占地面积为20m2，换热孔占地面积为33200m2；南区需钻凿换热孔4553个，换热孔的间距为4×5m，单孔的占地面积为20m2，换热孔占地面积为91060m2。地质体厚度按200m计算，则：式中： — 地质体中储存的热量，J； — 计算区面积，m2； — 地质体厚度，m； — 地质体温度，℃； — 计算基础温度，℃； — 地质体岩石和流体的平均比热容，J/m3•℃；（对包气带；对饱水带） —热储岩土密度，kg/m3； —热储岩土比热容，J/kg.℃； —空气密度，kg/m3； —空气比热容，J/kg·℃； —水的密度，kg/m3； —水的比热容，J/kg·℃； —岩石孔隙度（无量纲）。①北区能源站静热储量计算对包气带：包气带厚度(米)岩土密度/ρr(kg/m3)岩土比热/Cr(J/kg.℃)空气密度/ρg(kg/m3)空气比热/Cg(J/kg·℃)岩石孔隙度/j151.93×1030.93×1031.2931.006×1030.41注：以上物理参数均根据不同岩性的经验值或者实验值加权求平均得到的。根据以上参数得：对饱水带：饱水带厚度(米)岩土密度/ρr(kg/m3)岩土比热/Cr(J/kg.℃)水的密度/ρg(kg/m3)水的比热/Cg(J/kg·℃)岩石孔隙度/j1852.36×1031.04×1031.0×1034.2×1030.24根据以上参数得：则：由以上计算可得，北区地质体中200m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热量为504.3万kWh。②南区能源站静热储量计算对包气带：包气带厚度(米)岩土密度/ρr(kg/m3)岩土比热/Cr(J/kg.℃)空气密度/ρg(kg/m3)空气比热/Cg(J/kg·℃)岩石孔隙度/j151.93×1030.93×1031.2931.006×1030.41注：以上物理参数均根据不同岩性的经验值或者实验值加权求平均得到的。根据以上参数得：对饱水带：饱水带厚度(米)岩土密度/ρr(kg/m3)岩土比热/Cr(J/kg.℃)水的密度/ρg(kg/m3)水的比热/Cg(J/kg·℃)岩石孔隙度/j1852.36×1031.04×1031.0×1034.2×1030.24根据以上参数得：则：由以上计算可得，南区地质体中200m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热量为1384.9万kWh。（2）地温场冷热平衡计算①北区能源站冷热平衡计算根据北区能源系统运行方式可得出地源热泵系统年供冷供暖量，通过年供冷供暖量以及系统性能系数和能效比计算热泵系统冬夏季向土壤取热、释热量，具体公式为：式中：—夏季最大放热量，GJ；—冬季最大吸热量，GJ；—性能系数；—能效比。注：北区能源站地源热泵机组制热工况COP按4.5计算，制冷工况EER按5.0计算。北区热平衡计算表北区地源热泵年供热量（万kWh）1311.2北区地源热泵供热COP4.50北区土壤冬季释热量（万kWh）1019.8北区地源热泵年供冷量（万kWh）853.5北区地源热泵供冷COP5.00北区土壤夏季得热量（万kWh）1024.2土壤不平衡率（%）-0.43%由上表得知，北区地源热泵系统夏季向土壤释放的最大热量为1024.2万kWh，冬季从土壤提取的最大热量为1019.8万kWh，全年向土壤释放热量为4.4万kWh，而北区地质体中200m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热能为504.3万kWh，因此地源热泵运行一年地质体温度变化约为0.009℃。②南区能源站冷热平衡计算根据南区能源系统运行方式可得出地源热泵系统年供冷供暖量，通过年供冷供暖量以及系统性能系数和能效比计算热泵系统冬夏季向土壤取热、释热量，具体公式为：式中：—夏季最大放热量，GJ；—冬季最大吸热量，GJ；—性能系数；—能效比。注：南区能源站地源热泵机组制热工况COP按4.5计算，制冷工况EER按5.0计算。

表南区热平衡计算表南区地源热泵年供热量（万kWh）3109.0南区地源热泵供热COP4.5南区土壤冬季释热量（万kWh）2418.1南区地源热泵年供冷量（万kWh）2016.6南区地源热泵供冷COP5.0南区土壤夏季得热量（万kWh）2419.9土壤不平衡率（%）-0.07%由上表得知，南区地源热泵系统夏季向土壤释放的最大热量为2418.1万kWh，冬季从土壤提取的最大热量为2419.9万kWh，全年向土壤释放热量为1.8万kWh，而南区地质体中200m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热能为1384.9万kWh，因此地源热泵运行一年