贵州 | 贵州中烟铜仁卷烟厂复合式地源热泵系统典型工程案例

       贵州中烟铜仁卷烟厂是目前中国烟草系统唯一在卷烟生产工艺中应用浅层地热能实现恒温恒湿卷烟生产环境的卷烟厂，其恒温、恒湿效果非常好且节能效果明显。该项目采用地埋管地源热泵+地下水地源热泵+冷却塔的复合能源系统， 且应用了余热回收技术。项目位于贵州省铜仁市大兴科技工业区，总建筑面积约8.4 万平方米，包括联合生产工房、原辅料周转库、香精香料库、生产管理及技术研发中心、后勤服务用房、辅助用房等。于 2017 年 3 月开工建设，2018 年 9 月竣工投产。施工单位：北京泰利新能源科技发展有限公司；设计单位：中国五洲工程设计集团有限公司；运营单位：贵州中烟铜仁卷烟厂。 

       本项目总冷负荷为 9220kW，总热负荷为 4378kW，具体见表 1。 

表 1 系统冷热负荷指标 

       根据不同使用场景要求，地源热泵复合能源系统需满足多种恒温、恒湿工况使用要求。

       本项目难点之一是需要满足 8 种不同的恒温、恒湿工况使用要求；

       难点之二是需要确保在喀斯特复杂地质条件下地埋管孔拥有高成孔率和水源井的高成井率。 

       为最大限度节约初期投资，本工程地源热泵系统的设计原则为以满足建筑物冬季空调热负荷为主，剩余部分建筑冷负荷由冷却塔适当调峰。即建筑供暖热负荷全部由地埋管解决，建筑制冷负荷由地埋管和冷却塔联合解决。考虑到本项目建筑性质的特殊性及建筑冷热负荷的差异性和项目所在地水文地质条件建议打2 抽 4 回 6 口水源井。 

       利用地埋管满足全部建筑供暖热负荷需要单孔深度为 150m 的地埋管换热器555 眼。为最大限度节约初期投资，推荐以热负荷为准计算地埋管数量，地埋管无法提供的部分冷负荷由冷却塔解决。 

       水源井的主要作用为：1.水源井作为备用冷、热源；2.在过渡季作为天然冷源通过板式换热器为建筑供冷；3.作为过渡季工艺用热的热源。 

       在以冬季工况来考虑主机配比时如果选用 2 台主机则单台主机的制热量较大，如果出现设备故障对整个系统的影响较大故选用 3 台热泵主机做为空调热源，如 1 台设备出现故障其余 2 台可满足总热负荷的 70%以上，可满足正常使用要求。

       夏季工况下则采用与冬季工况相同的热泵主机为建筑制冷，则共选用了 6 台参数一样的夏季冷冻水供回水温度为 7/12℃；冬季采暖热水供回水温度为 55/50℃的热泵主机为本项目供暖、制冷。采取该设计方案可以使热泵主机互为备用提高系统的稳定性。由于工艺要求本项目在夏季工况下有热源的需要，将 3 台热泵主机加装热回收装置，在制冷的同时可提供 55/50℃采暖热水。这样既可以满足工艺需要也可以节省运行成本，另外还有水源热泵做为备用热源以保证系统的稳定运行。 

       设置板式换热器在过渡季利用冷却塔和水源井的天然冷源为空调系统服务以节省运行成本。地源热泵系统的工艺流程如图 2: 

图 2 地源热泵系统工艺流程图 （右键另存可见大图）

       热泵主机的参数为：3 台螺杆式地源热泵机组，机组配热回收装置，其中单台机组热回收制热量为 1936kW，制热量为 1705kW，制冷量为 1525kW；3 台螺杆式地源热泵机组，单台机组制热量为 1705kW，制冷量为 1627kW。详见表 2。 

表 2  热泵机房主要设备表

       本项目自投产以来运行稳定，恒温恒湿效果非常理想，地温场保持均衡，系统运行效率始终较高。从实际运行结果来看采用多种能源形式调峰的复合式能源系统形式是可靠的，经济的。复合式能源系统充分利用各种不同能源系统的优点， 在保证空调冷热负荷需求的前提下最大限度的降低了初期投资成本。在后期运行费用方面，采用地源热泵复合能源系统后与常规空调相比，具有良好的经济环境效益。夏季节约用电 65 万千瓦时，节能率高达 27%；冬季节约燃气 43 万 m³，节能率高达 53%；加上过渡季，全年节约运行费用近 300 万元。同时每年可节约标煤 600 吨，减排二氧化碳 1496 吨，减排粉尘 408 吨，减排二氧化硫 45 吨，减排氮氧化合物 22 吨。 

       （一）综合地质勘查与换热测试 

       与北方平原地区稳定沉积地层环境不同，喀斯特岩溶地貌地区开发浅层地热能资源的前期综合地质勘查工作程序比较复杂，相对而言主要是增加了评价岩溶裂隙、构造裂隙发育带的工作内容。在基岩地层中施工地埋管孔，为提高钻探效率，几乎都采用空气潜孔锤冲击回转钻探工艺，而该工艺最大的缺点是无法有效应对坍塌、破碎地层，因此必须事先辨识并避开构造裂隙发育带或岩溶裂隙发育带布设地埋管孔，同时为了提高水源井的出水量，必须选择构造裂隙发育带或岩溶裂隙发育带布设水源井。 

       经地温场均衡模拟计算显示，在推荐布孔方案下，夏季热泵系统制冷运行后地质体温度升高 0.42℃，生活热水全年运行和冬季热泵系统供暖运行后地质体温度降低 0.31℃，全年后地质体温度升高 0.11℃，地质体温度变化较小。考虑到布孔区地质体与周边地质体的热交换作用，以及地下水流动带走热量等影响， 本项目在推荐设计方案前提下，热泵系统运行对地温场的影响很小，地温场可以实现平衡。同时，根据系统实际运行情况，还可通过用冷水机组调峰形式确保地质体地温场实现均衡。 

       （二）复合地源热泵系统设计亮点 

       （1）充分利用调峰技术降低系统初投资 

       由于本项目具有夏季制冷负荷大、冬季供暖负荷小的特点，为节约系统建设初期投资，设计浅层地热能只满足供热负荷，制冷负荷不足部分由冷却塔调峰解决；由于水源井较地埋管有更高的经济性，利用水源井技术解决一部分热负荷， 剩余热负荷由地埋管换热器承担；由于地埋管换热器的换热能力是随换热温差而变化的，换热温差越大地埋管延米换热量越大，换热温差越小地埋管延米换热量越小，故选用尖峰工况（即大温差）时地埋管换热器的换热量作为计算地埋管数量的依据，以最大限度减少地埋管换热器数量，进一步节约投资。虽然调峰技术的应用会降低系统的运行效率，但由于调峰运行时间段短，对系统全年运行费用影响较小。因此，调峰技术的应用极大的提升了系统的整体经济性。 

       （2）通过先进的自控系统实现 8 种恒温恒湿工况 

       由于生产车间不同功能使用区存在八种不同温湿度要求的恒温恒湿工况，例如卷包车间夏季要求 24 小时保持 24℃，60%湿度的恒温恒湿工况，储叶间冬季要求 24 小时保持 30℃，70%的恒温恒湿工况。为此本项目配备了先进的自控系统，通过降温除湿、降温加湿、加温加湿、加温除湿等九种调节措施实现上述八种不同要求的恒温恒湿工况。自控系统通过安装在各功能使用区的温、湿度传感器采集数据，调节风机频率，高压微雾、表冷器进水阀、加热阀、新风阀、排风阀的开度，满足不同功能使用区的温湿度需求，同时将信号输送至地源热泵机房， 联动调节热泵主机的工作负荷比例，以及循环泵的循环流量，实现全系统的精准自动控制。设计环境温度要求偏差为±2℃，环境相对湿度偏差为±5%，本系统实际运行时，温度偏差为±0.8℃、相对湿度偏差为±2%，温湿度控制精度非常高，处于全国烟草系统生产工艺温湿度控制精度领先水平。 

       （3）为最大限度节能利用余热回收技术 

       本项目还采用了余热回收技术，在过渡季和夏季将系统产生的余热用于维持生产工艺中恒温恒湿所需要的热量。 

       （4）利用物探勘查技术提高成孔率节约投资 

       贵州省是全国典型的喀斯特地貌发育区，其地质条件异常复杂，采用常规理念施工地埋管孔的成孔率低，间接导致系统初期投资升高；采用物探勘查技术后， 能够有效识别并规避构造裂隙影响区布设地埋管孔，提高成孔率进而节约系统建设投资。 

       （一）问题 

       本项目需要满足 8 种不同的恒温、恒湿工况使用要求以及项目所处位置地质构造复杂，地源热泵系统前期投资较常规中央空调高，贵州省缺乏补贴政策支持。 

       （二）建议 

       本项目为工业类建筑，在生产工艺中使用地源热泵系统。生产工艺空调系统 在使用过程中有其自身规律，在项目前期要充分与业主进行沟通了解其使用特性， 从而对地源热泵系统进行合理组合，使该地源侧、主机系统及末端使用侧能够更 好地匹配，发挥最大的节能效果。