济宁文化中心是集大型公益类场馆和公寓、酒店为一体的文化产业集群，总建筑面积约30万㎡，建设了基于浅层地热能利用的绿色低碳能源站，项目由济宁市城投文化旅游产业有限公司投资建设，项目投资约7300万元，由具有国际影响的建筑节能研究院中国建筑科学研究院，和国内领先的绿色低碳技术应用单位山东宜美科节能服务有限责任公司联合设计、建设，由具有绿色低碳技术咨询建设经验的专业化单位和璞思德能源顾问（山东）有限公司维护运营。由2022年济宁市国民经济和社会发展统计公报知：济宁市居民人均可支配收入33628元、人均消费支出19051元；其中城镇居民人均可支配收入42989元、人均消费支出23529元；农村居民人均可支配收入22137元、人均消费支出13554元。济宁文化中心位于济宁市太白湖新区，无集中热源管网，且济宁市在浅层地热能利用方面有较好的资源优势，本项目区域岩土层结构由中粗砂、细砂、粘性土组成，岩土换热能力较好，钻孔施工难度较小，浅层地热能利用条件较适合。为满足济宁文化中心全年供暖空调需求，实现长期高效运行，以浅层地热能为主作为冷热源，配置辅助冷却塔，以保证地源热泵运行过程中地源侧的累计吸、排热量平衡，建设了济宁文化中心可再生能源绿色低碳能源站。
二、供暖面积
济宁文化中心可再生能源绿色低碳能源站供冷面积22.48万㎡，供暖面积26.73万㎡，设计空调总冷负荷19800kW ，设计空调总热负荷16200kW ，自2019 年建成投入运行至今，系统运行稳定、安全、高效。
三、技术路线及工艺流程
1. 浅层地热能利用技术适宜性
地热能、太阳能及空气能具有可得性广、赋存量大的优势，但是太阳能和空气源的稳定性差、能量密度低、环境适应性弱，而大型公共建筑需求的能量密度高、总量大、活跃性强、灵活性要求高，浅层地热能具备了开发潜力大、资源量大且具备可再生、无污染、不产生碳排放、运行稳定等优点。通过对多种能源形式对比分析，从政策、投资、运行费用、系统可靠性、技术先进性、节能环保、绿色生态等各个方面综合评价，结合济宁市在浅层地热能利用方面有较好的资源优势，以浅层地热能为主建设分布式能源站是最经济合理的首选方案：（1）资源性：本项目区域岩土层结构由中粗砂、细砂、粘性土组成，岩土换热能力较好，钻孔施工难度较小，地埋管地源热泵应用条件较合适。（2）限制性：该地区土壤含水层颗粒太细，渗入太差，回灌较困难，一般情况下回灌能力为开采能力的30～50% 。浅层地下水径流强度不大，含水层渗透系数约10m ，水力坡度约1～2‰ ，浅层地下水源热泵技术应用条件受限。且地下水资源关系人民基本生活，干系重大，地下水资源保护越来越受到政府重视，综合技术适宜性及政策条件等，本项目不适宜采用地下水源热泵。（3）适宜性：本项目地温近似全年平均气温，恒温带的温度约为13.5～15℃ ,是比较好的低温热源，适宜进行冬季供暖和夏季制冷。
（4）灵活性：建设范围内具备布置钻孔空间，适宜采用土壤源热泵技术。
（5）换热性：通过热响应试验测试分析，测试结果表明项目区域地源侧换热性能较好。（6）稳定性：区域地下水含水量充足且流速高，加速地源侧取放热量的扩散能力，有利于土壤侧平衡，利于热泵长期稳定运行。（7）周期性：土壤源热泵机组为25年，地埋管换热部分为70年，较其他空调系统和供暖设备的寿命都要长（一般家用空调的寿命为8年，燃气锅炉寿命为10年）。
2. 浅层地热能利用技术应用思路
（1）利用浅层地热能，由集中设置的能源站作为各个建筑物冷热源，采用土壤源热泵系统，满足该项目全年供暖空调需求，并配置辅助冷却塔，以保证地源热泵运行过程中地源侧的累计吸、排热量平衡，实现长期高效运行。（2）热泵机组供回水温度满足末端建筑需求，供回水温度采用大温差设计，夏季供冷6.5/13.5℃ ,冬季供暖47/40℃。（3）配置“四大一小”热泵机组，可以实现在部分负荷运行时或冬季防冻运行时，仍能处于高效区。（4）由于能源站供能半径较大，阻力较大，因此供能输配侧及地源侧采用二级泵系统；供能侧及地源侧一、二级泵均采用变频控制。（5）在部分负荷运行工况下，根据冷、热负荷控制热泵机组的开启台数；满足运行调试阶段及低负荷阶段运行需求。（6）冷却塔冬季为关闭状态，不做使用，夏季制冷时，根据蒸发器出水温度控制地埋管换热器与冷却塔的切换。
3. 浅层地热能利用技术应用特点
（1）采用鸿业软件和TRNSYS 软件，对设计负荷和全年动态逐时负荷进行了详细的分析计算，并综合考虑项目各建筑运行时间、使用率、使用环境参数等多扰动因素，从而降低了项目装机容量，提高了系统经济性。（2）以全年动态负荷计算为基础，根据热响应试验结果，采用GSLAB 软件，进行了热响应试验反算、埋管换热器设计计算、全年工况模拟计算和热平衡分析。以此为依据进行了能源系统整体配置和埋管侧设计。（3）能源中心建设了智能自控系统，该控制系统包括：物联网监测模块、数据在线采集模块、数据存储模块、故障识别与报警模块、节能数据分析模块、集中优化控制策略模块、前馈控制模块、传感器、控制器、数据传输设备等。在各个功能模块中嵌入系统运行下各工况的工作逻辑，实现系统的无人值守控制功能。（4）能源管控平台充分运用了现代物联网技术、人工智能技术、群控技术，结合数据挖掘技术、现代统计学分析技术、运筹优化技术等技术手段，感知、整合、分析、优化系统运行的一系列分析方法，实现了能源站空调系统的微观管理到宏观+微观管理，从局部优化到整体优化。
四、主要设备选型
1. 高效能源站地源侧
济宁文化中心建筑的总设计冷负荷为19800kW ，总设计热负荷为16200kW ，地埋管换热器设计计算时，累计耗冷耗热量取保守值，即：累计冷负荷为1570.6 万kWh （内热开，取保守值），累计热负荷为2092.2万kWh（内热关，取保守值）。确定济宁文化中心建筑供冷供暖的地源热泵系统所需的钻孔总长度取31.96万m（按制热工况），即地埋管承担项目全部热负荷（设计热负荷、累计热负荷）；地埋管承担基础冷负荷，不足冷负荷由辅助冷源承担。本项目地埋管换热器系统采用双U 型竖直埋管换热器，单个埋管换热器孔深取120m，换热器间距为5m×5m，孔径Ф150mm，室外地埋管换热器共设置2700 个钻孔。为了实现有效的水力平衡，采用钻孔之间同程式并联连接，并联孔数根据布孔区域不同为5～8 个，18 个小区分别设置一个分集水小室，每个大区采用枝状管网连接各个小区的分集水小室后，进入能源站。其中，有部分小室可利用已有设计的景观构筑物，直接将分集水器设置于构筑物当中，降低土建施工费用，布置在二期筏板下的地埋管换热器同程连接后，分集水器设置在文化中心高地建筑中间连接狭缝中。
2. 高效能源站系统配置
（1）热泵机组
能源站机房设置4台离心式地源热泵机组，单台制冷量4600kW ，单台制热量4500kW；1台螺杆式地源热泵机组，单台制冷量1614kW ，单台制热量1689kW。
（2）输配系统
供能侧及地源侧均采用二级泵系统。为便捷调节，可实现不同地埋管区域的部分负荷下切换使用，每个大区对应1台地源侧二级泵。本项目中各末端建筑设计水温一致，因此供能二级泵集中设置；为考虑冬夏负荷需求的不同，供能侧及地源侧一、二级泵均采用变频控制。
3. 高效能源站材料设备选择
（1）地埋管材料
地埋管材料好坏关乎地埋管系统寿命周期和运行可靠性，选用了国内一线品牌为专用管件。
（2）主要设备
地源热泵系统的主机作为整个地源热泵系统输出冷热量的核心，由于设备本身价值较高，并且一般主机房安装空间都有限，一般不设置备用主机，因此主机的质量及能否长期稳定安全运行是保证系统长期稳定运行的首要关键点。本项目的主机选择了技术成熟、生产工艺先进、维修更换简单、有长期运行项目支撑的设备供应商。水泵作为以水为冷热量载体的空调系统输送部件，由于连续使用特性，一旦损坏同样也能会造成系统瘫痪，并且水泵能耗约占系统能耗的20%左右，选择能效级别高、质量过硬的水泵也是保证系统稳定运行的关键因素。本项目水泵选择了能效较高的国内一线品牌。
五、生产运行情况
济宁文化中心绿色低碳能源站主要能源消耗为电力。能源站自2019 年夏季开始运行，供冷季按照每年的6月1日至9月15日，供暖季按照每年的11月15日至次年3月15日，具体运行时间根据建筑的实际用能需求进行了适度调整，全年单位供暖制冷能耗约为25.80kWh/㎡。
六、建设运营模式
济宁文化中心可再生能源绿色低碳能源站由济宁市城投文化旅游产业有限公司自筹投资建设，通过专业化建设工程总承包+专业化托管运维方式（EPC-O），由济宁市城投文化旅游产业有限公司自主经营。
七、项目经济性
自2019能源站运行至今，截止2023年系统实际运行成本约17元/年·㎡，较方案设计工况下的运行成本降低41.94%。根据济宁市政策规定，免缴供热配套费约1000万元，按照当地市政供热价格和燃气价格，较“冷水机+市政集中供热” 降低单位㎡全年运行约17.8元，每年可节省运行成本约535万元；较“冷水机+燃气集中供热” 降低单位㎡全年运行约24.7 元，每年可节省运行成本约740万元，有效降低了系统运行成本。
八、环境及社会效益
高效利用浅层地热能的土壤源热泵技术，代替传统能源，脱离对燃气的依赖，主要利用电能可以实现夏季供冷冬季供暖。济宁文化中心绿色低碳能源站自投入运行以来，节能减碳效果显著，每年可节约标准煤8057t（等价值），减少二氧化碳排放量21512t ，减少二氧化硫排放量161t ，减少氮氧化物排量放302t ，减少烟尘排量放80t。公司按照“政府主导、市场运作、企业主体”的原则进行运作，坚持利用绿色生态节能减碳技术，陆续推出一系列公共建筑类优良工程，为社会发展做出新重要贡献。项目属于社会公益性项目，项目可再生能源供能系统供应灵活，提升建筑室内舒适度，提升了可再生能源的利用效率，提升了地区人民的生活品质，为广大群众提供一个舒适、温馨的环境，具有良好广泛的社会影响，提升了公众认知，对同类型建筑起到榜样作用，有利于积极推动济宁市绿色建筑等政策落地，具有较强的示范意义和社会影响力，有利于全范围推动建筑领域节能减碳工作，助力中国的建筑和城市从绿色节能，走向“零达峰”和“碳中和”的未来。
九、典型经验和做法
（一）全过程控制，助力浅层地热能高质量应用
济宁文化中心是山东省最早、最大体量、最大规模利用浅层地热能建设低碳能源站的大型公共建筑。济宁文化中心可再生能源绿色低碳能源站的建设运营以全寿命周期低碳、高质量低碳发展为目标，实践探索了全过程能源顾问咨询、设计、采购、建设、运维专业化模式。济宁文化中心先后获得了绿色建筑二星级设计标识和绿色建筑二星级运行标识，绿色低碳能源系统设计获得了中国建筑学会建筑设计一等奖，群体建筑荣获中国建设工程质量最高奖－“鲁班奖”，项目案例入选了《中国高效空调制冷机房发展研究报告（2021）》《山东省能源局地热能开发利用典型案例》。
（二）智慧化技术，提升能源利用效率
为实现建筑全寿命周期的近零碳排放，济宁文化中心绿色低碳能源站在项目建设过程中推广了BIM 技术应用，通过互联网、大数据、人工智能等新兴技术与绿色生态节能技术深度融合，建设了绿色低碳综合能源智慧管控平台, 以实现能源系统能耗监测、能效评价、运行策略优化、安全保障为主的智慧能源管理目标。根据文献和国家空调设备质量监督检验中心近年对国内部分可再生能源示范项目（地源热泵）的检测结果为：
1. 地源热泵系统供冷性能系数为3.2 ，大部分项目在2.7 以上；
2. 地源热泵系统供热性能系数为2.5 ，大部分项目在2-3 之间。
济宁文化中心可再生能源绿色低碳能源站，自2019年夏季投入运营，系统的系统能效处于较高水平，供冷能效比达到EER5.0以上，供热性能系数达到COP3.80以上，性能系数分别高于国家标准规定一级标准，明显高于国内平均水平，位于国家可再生能源应用示范项目前列，按照国际标准对标，达到美国ASHRAE 规定优秀制冷机房EER≥5.02的标准, 达到新加坡BCA《空调系统设计运行规范》SS553:2016 铂金级EER≥5.41的标准，并于2023年9月以EERa=5.04 获得高效空调制冷机房标识。
（三）专业化节能托管运维，提升节能减碳效果
运行能耗在建筑全生命周期中占比最大，有效降低建筑的实际运行能耗是建筑节能的最终目标。由专业化团队对能源站开展节能托管运维，通过对能源站系统的精准调适和节能托管服务，实现分布式能源设备运行状态监测、故障检修、动态调配的快速响应，在运行期开展持续调适和智慧能源管控平台的策略优化，可再生能源绿色低碳能源站在运行中持续增效，进一步提升了节能减碳效果，减少了建筑能源系统的能源消耗和运营成本，降低了建筑运行阶段的碳排放。
（四）产学研深度融合，促进产业发展
济宁文化中心以可再生能源为载体，开展了可再生能源科研合作和技术交流，通过关键核心技术攻关、工程示范和产业化应用，是“十三五”国家重点研发计划-“公共机构高效用能系统及智能调控技术研发与示范项目”。2019-2021 年联合中国建筑科学研究院有限公司和山东宜美科节能服务有限责任公司共同开展了住房和城乡建设部科技计划项目“绿色建筑技术与建筑节能技术－可再生能源多能互补在大型公建中高效应用关键技术研究”，于2021 年10 月通过验收，研究内容包括项目全周期的岩土参数测试、系统设计、施工工艺、优化运行等技术方法研究，研究成果经第三方机构查新、专家评议，得到专家一致认可建议推广应用，其中地埋管地源热泵岩土热响应测试方面达到国际领先水平。
十、问题和建议
可再生能源多能互补低碳能源站系统一般由地源热泵系统、太阳能光热系统、太阳能光伏系统、空气能系统、蓄能系统、高效空调节能机组、空调末端、辅助冷却塔等组成。与传统化石能源相比，有数量大、可再生、环保、就地取用等优势。系统建设时，增量投资大约为10～20%，但在系统使用过程中，运行费用比常规减少25～60%左右，大约3～5 年即可实现投资回收。可再生能源的规模化、高质量发展，必然需要通过高性能优化设计、高标准建设实施、智慧赋能管控能源、暖通系统精准调适和专业化节能运维等应用高效节能技术的应用，能够有效推动城市的绿色低碳发展。
