1  工程概況

項(xiàng)目地址為青島某地塊。工程建設(shè)規(guī)模為21棟高層住宅,層數(shù)為地上16/17層,地下1層,總建筑面積為16.74 hm²。 在建筑功能布局方面,地上16/17層為住宅,地下1層為機(jī)動(dòng)車庫、電動(dòng)汽車庫及設(shè)備用房?？?a href="http://www.622810.cn/t/供暖.html" >供暖面積為 13 hm²,受回遷入住率的影響,近期供暖面積為3 hm²。

2  氣象參數(shù)

參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736—2012),青島市冬季室外設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示

以青島市全年逐時(shí)氣象資料作為計(jì)算常年負(fù)荷用的氣象資料,該資料包括青島市室外全年8 760 h逐時(shí)干球溫度、相對(duì)濕度等參數(shù),經(jīng)分析,青島市全年日溫度統(tǒng)計(jì)如圖1所示,青島市全年溫度統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,全年溫度低于-5 ℃ 的時(shí)間為536 h,約占供熱時(shí)間的15%,全年溫度為-5~5 ℃的時(shí)間為2 197 h,約占供熱時(shí)間的65%, 全年溫度為5 ℃以上的時(shí)間約占供熱時(shí)間的20%。

3  熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)青島市各類熱用戶的比例及使用特點(diǎn),參照 《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 34—2022)推薦的各類建筑物供暖熱指標(biāo),得出供暖熱指標(biāo)推薦值如表 2所示,確定建筑物供暖綜合熱指標(biāo)為40 W/m2。

根據(jù)建筑面積及供暖熱指標(biāo),該項(xiàng)目供暖設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為1.2 MW。平均負(fù)荷Q_pj的計(jì)算公式如下:

式中:Q_j為設(shè)計(jì)負(fù)荷;t _n為供暖室內(nèi)計(jì)算溫度,取1 8 ℃;t_pj為供暖期室外平均溫度,取1 ℃;t _Wj為供暖期室外計(jì)算溫度,取-5 ℃。

經(jīng)計(jì)算,Q_pj=0.888 MW。

供暖期總供熱量∑Q的計(jì)算公式如下:

式中:NP為供暖期時(shí)間,取141 d。

經(jīng)計(jì)算,∑Q=10 823 GJ。

4  熱源方案

根據(jù)該地區(qū)的能源稟賦,適合該項(xiàng)目的熱源形式有市政供熱(熱源為燃煤鍋爐)、空氣源熱泵、地?zé)崮?/a>。 雖然有市政熱源,但目前供熱能力已經(jīng)飽和,根據(jù)國(guó)家和青島市節(jié)能減排政策,也無增加傳統(tǒng)熱源的可能性。空氣源熱泵供熱受場(chǎng)地限制,也較難實(shí)施。根據(jù)當(dāng)?shù)?a href="http://www.622810.cn/t/地?zé)豳Y源勘察.html" >地?zé)豳Y源勘察成果,地溫梯度為0.028~0.03 ℃/m,中深層地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富。可采用“只取熱不取水”的換熱方式,向地下1 500~3 000 m深處的高溫巖層鉆孔, 在鉆孔中安裝套管式換熱器,通過換熱器內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)實(shí)現(xiàn)井內(nèi)換熱,將地下深處的熱能導(dǎo)出,并通過專用高溫?zé)岜?/a>系統(tǒng)向地面建筑物供熱。該取熱方式不會(huì)對(duì)地下水造成破壞和污染,供熱過程沒有氮氧化物和二氧化碳排放。中深層地源熱泵供暖系統(tǒng)原理如圖3所示。

由于中深層地?zé)?/a>換熱井出水溫度較高,且用戶為地板輻射供暖,用戶側(cè)的設(shè)計(jì)供溫度為45 ℃,回水溫度為35 ℃,因此能實(shí)現(xiàn)兩種供暖模式:一種是地?zé)峋?/a>直接供暖模式,另一種是地?zé)峋?/a>熱泵換熱供暖模式。 在供暖季室外溫度較高或熱負(fù)荷較小時(shí),開啟閥門1、 閥門3,關(guān)閉閥門2和閥門4,使用采用地?zé)?/a>井直接供暖系統(tǒng)模式。當(dāng)建筑熱負(fù)荷增大時(shí),關(guān)閉閥門1、閥門3,開啟閥門2和閥門4,采用地?zé)?/a>井熱泵換熱供熱系統(tǒng)模式。

5  主要設(shè)備確定

5.1 中深層地?zé)?/a>換熱井

單個(gè)中深層地?zé)?/a>井下?lián)Q熱器取熱功率Qi的計(jì)算公式如下:

式中:T為地溫梯度;Ks為巖土導(dǎo)熱系數(shù);H為中深層地?zé)?/a>井下?lián)Q熱器安裝深度。

根據(jù)該區(qū)域已進(jìn)行的地溫測(cè)試,井底巖層溫度達(dá) 75.6 ℃,未供熱時(shí)出水溫度為46 ℃。計(jì)算確定新建2口深度為2 000 m的中深層地?zé)峋?/a>,地?zé)?/a>換熱井參數(shù)如表3所示。

5.2 熱泵主機(jī)及輔助設(shè)備

增加1臺(tái)水冷螺桿式地源熱泵主機(jī)聯(lián)合運(yùn)行,中深層地源熱泵機(jī)房主要設(shè)備材料如表4所示。

6  經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益分析

將中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵、天然氣鍋爐系統(tǒng)、市政熱網(wǎng)系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析。

在能源方案對(duì)比中,中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、天然氣鍋爐供暖系統(tǒng)需要購(gòu)置設(shè)備主機(jī)和其他輔助設(shè)備,采用市政熱網(wǎng)需要建設(shè)換熱站,各供暖方案初投資對(duì)比如表5所示。

從表5中可以看出,中深層地?zé)?/a>井費(fèi)用投資比重很大,中深層地源熱泵系統(tǒng)初投資費(fèi)用最高,采用市政管網(wǎng)集中供熱投資最低。

在運(yùn)行過程中,中深層地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)成本主要來自水電費(fèi)、設(shè)備維護(hù)、人工費(fèi)等, 天然氣鍋爐運(yùn)行成本主要是燃?xì)赓M(fèi)、水費(fèi)、設(shè)備維護(hù)、 人工,其中燃?xì)赓M(fèi)占據(jù)絕大比例。各供暖方案運(yùn)行成本對(duì)比(含設(shè)備折舊)如表6所示。

各供暖方案投資回收期如表7所示。

從表7可知,市政管網(wǎng)和空氣源熱泵系統(tǒng)投入即回本。但受實(shí)際條件限制,以上兩個(gè)方案均無法實(shí)施。 因此可供選擇的方案為中深層地源熱泵系統(tǒng)和天然氣鍋爐,雖然天然氣鍋爐方案投入即回本,但1.5 a后虧本,因此采用中深層地源熱泵系統(tǒng)作為供熱熱源。

與常規(guī)方案相比,采用該方案每年將減少約3.516×108 MJ,減少顆粒物 135.15 t,減少二氧化硫排放57.6 t,具有較好的環(huán)境效益。

7  結(jié)論

文章以青島膠州市某高層住宅小區(qū)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象,在當(dāng)?shù)?a href="http://www.622810.cn/t/能源.html" >能源稟賦和供熱領(lǐng)域能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)上, 采用中深層無干擾地?zé)崮?/a>進(jìn)行供熱方案設(shè)計(jì),確定地?zé)?/a>換熱井級(jí)相關(guān)主要設(shè)備的數(shù)量及參數(shù),并從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面進(jìn)行分析,得出的主要結(jié)論如下:

(1)基于當(dāng)?shù)?a href="http://www.622810.cn/t/能源.html" >能源政策和能源稟賦,根據(jù)勘查結(jié)果,當(dāng)?shù)氐闹猩顚觾?chǔ)量豐富,適宜采用中深層無干擾地?zé)嶙鳛樵擁?xiàng)目的熱源。

(2)與天然氣鍋爐系統(tǒng)對(duì)比,中深層無干擾供熱系統(tǒng)初投資高,但運(yùn)行1.5 a后,天然氣鍋爐系統(tǒng)出現(xiàn)虧本狀態(tài),中深層無干擾供熱系統(tǒng)11 a后可收回成本, 且有較好的環(huán)境效益,節(jié)能效果明顯。