貴州中煙銅仁卷煙廠是目前中國煙草系統(tǒng)唯一在卷煙生產(chǎn)工藝中應用淺層地熱能實現(xiàn)恒溫恒濕卷煙生產(chǎn)環(huán)境的卷煙廠，其恒溫、恒濕效果非常好且節(jié)能效果明顯。該項目采用地埋管地源熱泵+地下水地源熱泵+冷卻塔的復合能源系統(tǒng)， 且應用了余熱回收技術。項目位于貴州省銅仁市大興科技工業(yè)區(qū)，總建筑面積約8.4 萬平方米，包括聯(lián)合生產(chǎn)工房、原輔料周轉庫、香精香料庫、生產(chǎn)管理及技術研發(fā)中心、后勤服務用房、輔助用房等。于 2017 年 3 月開工建設，2018 年 9 月竣工投產(chǎn)。施工單位：北京泰利新能源科技發(fā)展有限公司；設計單位：中國五洲工程設計集團有限公司；運營單位：貴州中煙銅仁卷煙廠。 

       本項目總冷負荷為 9220kW，總熱負荷為 4378kW，具體見表 1。 

表 1 系統(tǒng)冷熱負荷指標 

       根據(jù)不同使用場景要求，地源熱泵復合能源系統(tǒng)需滿足多種恒溫、恒濕工況使用要求。

       本項目難點之一是需要滿足 8 種不同的恒溫、恒濕工況使用要求；

       難點之二是需要確保在喀斯特復雜地質條件下地埋管孔擁有高成孔率和水源井的高成井率。 

       為最大限度節(jié)約初期投資，本工程地源熱泵系統(tǒng)的設計原則為以滿足建筑物冬季空調熱負荷為主，剩余部分建筑冷負荷由冷卻塔適當調峰。即建筑供暖熱負荷全部由地埋管解決，建筑制冷負荷由地埋管和冷卻塔聯(lián)合解決?？紤]到本項目建筑性質的特殊性及建筑冷熱負荷的差異性和項目所在地水文地質條件建議打2 抽 4 回 6 口水源井。 

       利用地埋管滿足全部建筑供暖熱負荷需要單孔深度為 150m 的地埋管換熱器555 眼。為最大限度節(jié)約初期投資，推薦以熱負荷為準計算地埋管數(shù)量，地埋管無法提供的部分冷負荷由冷卻塔解決。 

       水源井的主要作用為：1.水源井作為備用冷、熱源；2.在過渡季作為天然冷源通過板式換熱器為建筑供冷；3.作為過渡季工藝用熱的熱源。 

       在以冬季工況來考慮主機配比時如果選用 2 臺主機則單臺主機的制熱量較大，如果出現(xiàn)設備故障對整個系統(tǒng)的影響較大故選用 3 臺熱泵主機做為空調熱源，如 1 臺設備出現(xiàn)故障其余 2 臺可滿足總熱負荷的 70%以上，可滿足正常使用要求。

       夏季工況下則采用與冬季工況相同的熱泵主機為建筑制冷，則共選用了 6 臺參數(shù)一樣的夏季冷凍水供回水溫度為 7/12℃；冬季采暖熱水供回水溫度為 55/50℃的熱泵主機為本項目供暖、制冷。采取該設計方案可以使熱泵主機互為備用提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于工藝要求本項目在夏季工況下有熱源的需要，將 3 臺熱泵主機加裝熱回收裝置，在制冷的同時可提供 55/50℃采暖熱水。這樣既可以滿足工藝需要也可以節(jié)省運行成本，另外還有水源熱泵做為備用熱源以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 

       設置板式換熱器在過渡季利用冷卻塔和水源井的天然冷源為空調系統(tǒng)服務以節(jié)省運行成本。地源熱泵系統(tǒng)的工藝流程如圖 2: 

圖 2 地源熱泵系統(tǒng)工藝流程圖 （右鍵另存可見大圖）

       熱泵主機的參數(shù)為：3 臺螺桿式地源熱泵機組，機組配熱回收裝置，其中單臺機組熱回收制熱量為 1936kW，制熱量為 1705kW，制冷量為 1525kW；3 臺螺桿式地源熱泵機組，單臺機組制熱量為 1705kW，制冷量為 1627kW。詳見表 2。 

表 2  熱泵機房主要設備表

       本項目自投產(chǎn)以來運行穩(wěn)定，恒溫恒濕效果非常理想，地溫場保持均衡，系統(tǒng)運行效率始終較高。從實際運行結果來看采用多種能源形式調峰的復合式能源系統(tǒng)形式是可靠的，經(jīng)濟的。復合式能源系統(tǒng)充分利用各種不同能源系統(tǒng)的優(yōu)點， 在保證空調冷熱負荷需求的前提下最大限度的降低了初期投資成本。在后期運行費用方面，采用地源熱泵復合能源系統(tǒng)后與常規(guī)空調相比，具有良好的經(jīng)濟環(huán)境效益。夏季節(jié)約用電 65 萬千瓦時，節(jié)能率高達 27%；冬季節(jié)約燃氣 43 萬 m³，節(jié)能率高達 53%；加上過渡季，全年節(jié)約運行費用近 300 萬元。同時每年可節(jié)約標煤 600 噸，減排二氧化碳 1496 噸，減排粉塵 408 噸，減排二氧化硫 45 噸，減排氮氧化合物 22 噸。 

       （一）綜合地質勘查與換熱測試 

       與北方平原地區(qū)穩(wěn)定沉積地層環(huán)境不同，喀斯特巖溶地貌地區(qū)開發(fā)淺層地熱能資源的前期綜合地質勘查工作程序比較復雜，相對而言主要是增加了評價巖溶裂隙、構造裂隙發(fā)育帶的工作內(nèi)容。在基巖地層中施工地埋管孔，為提高鉆探效率，幾乎都采用空氣潛孔錘沖擊回轉鉆探工藝，而該工藝最大的缺點是無法有效應對坍塌、破碎地層，因此必須事先辨識并避開構造裂隙發(fā)育帶或巖溶裂隙發(fā)育帶布設地埋管孔，同時為了提高水源井的出水量，必須選擇構造裂隙發(fā)育帶或巖溶裂隙發(fā)育帶布設水源井。 

       經(jīng)地溫場均衡模擬計算顯示，在推薦布孔方案下，夏季熱泵系統(tǒng)制冷運行后地質體溫度升高 0.42℃，生活熱水全年運行和冬季熱泵系統(tǒng)供暖運行后地質體溫度降低 0.31℃，全年后地質體溫度升高 0.11℃，地質體溫度變化較小?？紤]到布孔區(qū)地質體與周邊地質體的熱交換作用，以及地下水流動帶走熱量等影響， 本項目在推薦設計方案前提下，熱泵系統(tǒng)運行對地溫場的影響很小，地溫場可以實現(xiàn)平衡。同時，根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況，還可通過用冷水機組調峰形式確保地質體地溫場實現(xiàn)均衡。 

       （二）復合地源熱泵系統(tǒng)設計亮點 

       （1）充分利用調峰技術降低系統(tǒng)初投資 

       由于本項目具有夏季制冷負荷大、冬季供暖負荷小的特點，為節(jié)約系統(tǒng)建設初期投資，設計淺層地熱能只滿足供熱負荷，制冷負荷不足部分由冷卻塔調峰解決；由于水源井較地埋管有更高的經(jīng)濟性，利用水源井技術解決一部分熱負荷， 剩余熱負荷由地埋管換熱器承擔；由于地埋管換熱器的換熱能力是隨換熱溫差而變化的，換熱溫差越大地埋管延米換熱量越大，換熱溫差越小地埋管延米換熱量越小，故選用尖峰工況（即大溫差）時地埋管換熱器的換熱量作為計算地埋管數(shù)量的依據(jù)，以最大限度減少地埋管換熱器數(shù)量，進一步節(jié)約投資。雖然調峰技術的應用會降低系統(tǒng)的運行效率，但由于調峰運行時間段短，對系統(tǒng)全年運行費用影響較小。因此，調峰技術的應用極大的提升了系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。 

       （2）通過先進的自控系統(tǒng)實現(xiàn) 8 種恒溫恒濕工況 

       由于生產(chǎn)車間不同功能使用區(qū)存在八種不同溫濕度要求的恒溫恒濕工況，例如卷包車間夏季要求 24 小時保持 24℃，60%濕度的恒溫恒濕工況，儲葉間冬季要求 24 小時保持 30℃，70%的恒溫恒濕工況。為此本項目配備了先進的自控系統(tǒng)，通過降溫除濕、降溫加濕、加溫加濕、加溫除濕等九種調節(jié)措施實現(xiàn)上述八種不同要求的恒溫恒濕工況。自控系統(tǒng)通過安裝在各功能使用區(qū)的溫、濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，調節(jié)風機頻率，高壓微霧、表冷器進水閥、加熱閥、新風閥、排風閥的開度，滿足不同功能使用區(qū)的溫濕度需求，同時將信號輸送至地源熱泵機房， 聯(lián)動調節(jié)熱泵主機的工作負荷比例，以及循環(huán)泵的循環(huán)流量，實現(xiàn)全系統(tǒng)的精準自動控制。設計環(huán)境溫度要求偏差為±2℃，環(huán)境相對濕度偏差為±5%，本系統(tǒng)實際運行時，溫度偏差為±0.8℃、相對濕度偏差為±2%，溫濕度控制精度非常高，處于全國煙草系統(tǒng)生產(chǎn)工藝溫濕度控制精度領先水平。 

       （3）為最大限度節(jié)能利用余熱回收技術 

       本項目還采用了余熱回收技術，在過渡季和夏季將系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱用于維持生產(chǎn)工藝中恒溫恒濕所需要的熱量。 

       （4）利用物探勘查技術提高成孔率節(jié)約投資 

       貴州省是全國典型的喀斯特地貌發(fā)育區(qū)，其地質條件異常復雜，采用常規(guī)理念施工地埋管孔的成孔率低，間接導致系統(tǒng)初期投資升高；采用物探勘查技術后， 能夠有效識別并規(guī)避構造裂隙影響區(qū)布設地埋管孔，提高成孔率進而節(jié)約系統(tǒng)建設投資。 

       （一）問題 

       本項目需要滿足 8 種不同的恒溫、恒濕工況使用要求以及項目所處位置地質構造復雜，地源熱泵系統(tǒng)前期投資較常規(guī)中央空調高，貴州省缺乏補貼政策支持。 

       （二）建議 

       本項目為工業(yè)類建筑，在生產(chǎn)工藝中使用地源熱泵系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝空調系統(tǒng) 在使用過程中有其自身規(guī)律，在項目前期要充分與業(yè)主進行溝通了解其使用特性， 從而對地源熱泵系統(tǒng)進行合理組合，使該地源側、主機系統(tǒng)及末端使用側能夠更 好地匹配，發(fā)揮最大的節(jié)能效果。