牛國慶,許 超,鮑玲玲*,劉俊青,郭海明,劉 偉

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.河北省暖通空調(diào)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038;3.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局,河北 邯鄲 056004;4.河北省科學(xué)院能源研究所,河北 石家莊 050081)

目前,我國以燃煤和燃?xì)忮仩t為主的供熱形式,存在能源高質(zhì)低用,季節(jié)峰谷問題突出,供能形式單一,碳排放量大等問題[1]。尋求一種既能滿足不斷變化的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)和用戶需求,又能促進(jìn)能源系統(tǒng)資源高效利用、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的多能源互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng),已成為未來能源發(fā)展的主要方向[2]。因地制宜地利用當(dāng)?shù)氐目稍偕茉?提高清潔能源占比的供能方式已成為緩解能源與環(huán)境問題的必由趨勢[3]。建筑作為終端能源消費的重要載體,其能耗是全社會能耗的重要組成部分[4]。冬季供暖和生產(chǎn)熱水是建筑能源需求中最重要的能源消耗[5]?？稍偕茉吹睦煤烷_發(fā)是建筑行業(yè)節(jié)能和減少碳排放的關(guān)鍵[6]。然而,可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定的性質(zhì)。將可再生能源的綠色性與常規(guī)能源的穩(wěn)定性相結(jié)合是解決這一問題的有效方法[7]。煤炭、天然氣等能源碳排放量較高、儲量有限;太陽能、風(fēng)能等可再生能源對環(huán)境友好,但受環(huán)境影響較大;地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉淳哂袃α控S富且不受天氣影響的優(yōu)勢,采用地?zé)崮芘c其他能源聯(lián)合供暖方式,利用多能互補(bǔ)的運行策略,改善能源供給側(cè)與需求側(cè)在時間空間不均問題,提高能源利用率[8]。Ma等[9]對多能源互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的集中供暖系統(tǒng)相比,其節(jié)能率約為30%。

在地?zé)釛l件良好的地區(qū),因地制宜采用地?zé)崮?多能互補(bǔ)的供暖模式,既可減少長距離輸送過程中的能源損耗與輸送設(shè)施投資,實現(xiàn)能源的就地生產(chǎn)與使用,又可減少煤炭等化石能源的消耗,減少碳排放。本文以冀南地區(qū)某大學(xué)中深層地?zé)?多能互補(bǔ)聯(lián)合供熱工程為例,介紹其工程概況、總體規(guī)劃與實施方案,并評估其經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益,以期為多能互補(bǔ)綜合供暖系統(tǒng)研究提供參考。

1 項目概況

該項目為大學(xué)校區(qū)供熱工程,建設(shè)有3個能源站,其中1號能源站采用燃?xì)忮仩t供熱,3號能源站采用中深層U型地?zé)峋夹g(shù),配以燃?xì)忮仩t為補(bǔ)充,4號能源站利用淺層地?zé)岫竟┡募局评?。生活熱水系統(tǒng)供應(yīng)洗浴用水量約410 t/d,采用太陽能+污水源+燃?xì)忮仩t供應(yīng),滿足4個學(xué)生社區(qū)洗浴熱水需求?？偼顿Y約1.2億,2019年9月全部投入運行,項目計劃運營20年。

2 供熱方案

2.1 能源設(shè)計

該大學(xué)校區(qū)占地面積較大,建筑體分區(qū)集中,位于安陽—邯鄲斷裂東盤,本區(qū)地?zé)崽飳儆诘湫偷某练e盆地型,第四系覆蓋層下發(fā)育有中上元古界巖溶裂隙熱儲,古近系東營—沙河街裂隙熱儲,寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲,新近系明化鎮(zhèn)—館陶組熱儲等熱儲層[10]。地?zé)釛l件較好,中深層地?zé)彷^淺層地?zé)釡囟雀摺尉崃扛?、占地面積更小,在負(fù)荷較大、面積有限的供暖區(qū)以采用中深層地?zé)帷叭岵蝗∷钡募夹g(shù)為主,其他能源作為補(bǔ)充,是一種高效環(huán)保的供暖方式;學(xué)校圖書館周邊面積較大,可大量埋設(shè)淺層地埋管利用淺層地?zé)釋χ苓吔ㄖM(jìn)行清潔供暖;最后利用燃?xì)忮仩t對剩余建筑區(qū)進(jìn)行供暖補(bǔ)充。此外,學(xué)校師生3萬余人,洗浴用水量大,洗浴污水中存在大量低品位余熱,利用污水源熱泵進(jìn)行余熱回收利用,與太陽能互為補(bǔ)充,以燃?xì)忮仩t作為備用熱源供應(yīng)熱水。具體供熱負(fù)荷及能源方案如表1。

表1 供熱負(fù)荷及能源方案Tab.1 Heating load and energy program

2.2 能源站建設(shè)

根據(jù)總體規(guī)劃、分布式實施,按照資源高效利用、低碳、經(jīng)濟(jì)原則分區(qū)設(shè)計建造能源站,因地制宜利用地?zé)崮?、太陽能等可再生能?以天然氣和洗浴污水余熱為補(bǔ)充。如圖1所示,各能源站分布式實施,互聯(lián)互通,形成有機(jī)聯(lián)動、互為補(bǔ)充、相互保障的合理布局。每個社區(qū)或?qū)W院均采用同程設(shè)計,保證水路水力平衡,防止供熱死角。

圖1 能源站分布圖Fig.1 Energy station distribution diagram

2.2.1 1號能源站

該能源站供暖包括學(xué)生公寓、食堂、體育館、學(xué)院樓等建筑,設(shè)計日峰值熱負(fù)荷14 MW。該供暖區(qū)位于學(xué)校西北,建筑較為密集,采用5臺2.8 MW真空燃?xì)忮仩t進(jìn)行供暖,該鍋爐采用全預(yù)混完全冷凝技術(shù)與羽翼式換熱管,能明顯提升換熱管性能,比傳統(tǒng)真空鍋爐節(jié)能20%以上。

2.2.2 3號能源站

該能源站設(shè)計日峰值熱負(fù)荷為14 310 kW,根據(jù)建筑使用性質(zhì)分為三個環(huán)路:教學(xué)樓環(huán)路、學(xué)生公寓環(huán)路和學(xué)生食堂環(huán)路。以中深層地源熱泵系統(tǒng)為主要熱源、以燃?xì)忮仩t系統(tǒng)為輔助或備用熱源,采用一對中深層地?zé)酻型閉式地?zé)峋?該地?zé)峋^同軸套管式換熱器單井熱提取能力更強(qiáng)。鉆井時埋入分布式光纖對地層溫度進(jìn)行監(jiān)測,測得1-1井井下2 000 m處溫度為67.8 ℃,2 125 m處溫度超過70 ℃,2 450 m處溫度可達(dá)78.3 ℃以上,地?zé)釛l件良好。

本系統(tǒng)設(shè)計了兩臺高溫?zé)岜脵C(jī)組(制熱量均6 MW),該系統(tǒng)在設(shè)計施工時,將蒸發(fā)器和冷凝器分別并聯(lián)連接,以便在低溫負(fù)荷下任一臺機(jī)組均可單獨運行。另設(shè)計兩臺4.2 MW燃?xì)忮仩t(供熱量8.4 MW)作為補(bǔ)充熱源,預(yù)留兩臺4.2 MW燃?xì)忮仩t的位置。換熱系統(tǒng)運行時,低溫取熱流體從注入井注入埋管換熱器,在管內(nèi)與地下熱儲層換熱后變?yōu)楦邷亓黧w從采出井流出,進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行第一次熱交換,再經(jīng)過高溫?zé)岜脵C(jī)組二次換熱使水溫提升至設(shè)定溫度后供給到采暖用戶,若供熱量或供水溫度不能滿足供暖需求時,利用燃?xì)忮仩t作為補(bǔ)充熱源,保證供暖穩(wěn)定。3號能源站換熱系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 換熱系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of heat exchange system

2.2.3 4號能源站

此能源站冬季日峰值熱負(fù)荷為15 834 kW,夏季最高冷負(fù)荷達(dá)到19 979 kW。供暖建筑為行政樓、校圖書館、教學(xué)樓等。機(jī)房內(nèi)配備有5臺4 200 kW離心式熱泵機(jī)組,另配有5座冷卻塔,夏季可用于承擔(dān)部分冷負(fù)荷[11],保證夏季制冷量,各熱泵機(jī)組冷卻塔互為備用。

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[12]和文獻(xiàn)[13]推薦方法,制冷工況下,地埋管鉆孔長度為

(1)

(2)

供熱工況下,地埋管鉆孔長度為

(3)

(4)

式中:下標(biāo)c,h分別表示制冷/供熱工況;L—所需鉆孔總長度,m;Q—熱泵機(jī)組的額定負(fù)荷,kW;EER/COP—制冷/供熱性能系數(shù);tmax/tmin—制冷/制熱工況下,地埋管換熱器中流體的設(shè)計平均溫度,℃;t∞—巖土體初始溫度,℃;F—制冷/供熱運行系數(shù);Rf,Rpe,Rb,Rs,Rsp—分別為管內(nèi)對流換熱熱阻,管壁熱阻,回填材料熱阻,地層熱阻,附加熱阻,m·K/W。

綜合地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)性選用雙U型De25管,深度130 m,地埋側(cè)換熱孔數(shù)為3 300眼,另配備2套冷卻塔,下入測溫光纖,監(jiān)測地溫變化情況,為智慧節(jié)能控制系統(tǒng)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

2.3 熱水供應(yīng)系統(tǒng)

學(xué)校共有4個學(xué)生公寓社區(qū),每個社區(qū)設(shè)有一座浴室,洗浴熱水熱源為太陽能+污水源+燃?xì)?備用),其中把浴室洗浴污水作為污水源熱泵的熱源進(jìn)行余熱利用,浴室淋浴設(shè)計溫度為40 ℃,熱水箱設(shè)計水溫為42 ℃,日均用水約410 t,開放時間為每天15:00至22:00,可滿足3萬師生的洗浴熱水需求。

下面以一社區(qū)浴室為例,太陽能集熱板布置在樓頂,面積約為514.6 m2,太陽能集熱水箱有效容積為20 m3,安置在3樓的熱水箱間內(nèi);配套2座恒溫水箱,有效容積為40 m3,同樣集中設(shè)置于3樓。太陽能集熱水箱設(shè)計終止溫度為40 ℃;采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng),配備兩臺功率為5.5 kW,流量為40 m3/h的循環(huán)水泵用以定溫循環(huán);污水源熱泵機(jī)組設(shè)計制熱量為320 kW,功率為66.2 kW,配置1個污水池蓄存污水,有效容積為60 m3,污水池的平均溫度為26.3 ℃,排出污水的平均溫度為19.6 ℃;燃?xì)忮仩t額定熱水產(chǎn)量為60 m3/h,安置于一樓鍋爐房內(nèi),采用變頻設(shè)備供應(yīng)熱水[14]。系統(tǒng)原理見圖3。

圖3 供熱系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the heating system

一方面,污水池中的洗浴污水經(jīng)過過濾器過濾掉毛發(fā)等雜物后進(jìn)入板式換熱器,利用污水余熱對自來水進(jìn)行余熱后進(jìn)入污水源熱泵蒸發(fā)器,經(jīng)壓縮機(jī)做功將污水余量傳給預(yù)熱后的自來水,使其升溫到設(shè)定溫度;另一方面,太陽能集熱器利用太陽能加熱自來水至設(shè)定溫度,承擔(dān)部分熱水供應(yīng),當(dāng)太陽能日輻照量不足以供給足夠熱水時,燃?xì)忮仩t作為熱源補(bǔ)充,保證洗浴熱水足量穩(wěn)定供應(yīng)。

2.4 能源管理系統(tǒng)

利用智慧能源管理系統(tǒng),通過現(xiàn)場采集、云服務(wù)平臺、監(jiān)測平臺(圖4),實現(xiàn)自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控,手機(jī)App即可遠(yuǎn)程操縱,隨時可了解系統(tǒng)運行狀況及故障報警。以末端負(fù)荷、冷熱源、輸入功率的合理匹配,實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的動態(tài)控制與管理,提高熱泵系統(tǒng)的整體能效,達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的總體目標(biāo)。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)測平臺Fig.4 System monitoring platform

3 系統(tǒng)運行測試

3.1 中深層地?zé)?燃?xì)庀到y(tǒng)

本供暖系統(tǒng)接入智慧能源系統(tǒng),對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)運行進(jìn)行實時監(jiān)測,這里選取3號能源站2021年2月系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選取供暖中期數(shù)據(jù)分析,此時系統(tǒng)較為穩(wěn)定。圖5為地?zé)峋M(jìn)出水溫度與進(jìn)出水溫差隨時間變化圖,可以看出系統(tǒng)運行期間,地?zé)峋M(jìn)口水溫穩(wěn)定在12.2 ℃左右,出水溫度維持在20.9 ℃附近,地?zé)峋M(jìn)出水溫差最高9 ℃,最低8.4 ℃,平均溫差8.7 ℃,進(jìn)水溫度穩(wěn)定但出水溫度和進(jìn)出水溫差隨時間推移呈現(xiàn)下降趨勢,這是因為經(jīng)過近兩個月的取熱,井下溫度不能及時恢復(fù),會出現(xiàn)逐漸衰減的趨勢,導(dǎo)致取熱溫差減小,出水溫度降低,供暖期間依據(jù)用熱負(fù)荷采取間歇運行策略可有效改善溫度衰減狀況,另外中深層地?zé)嵯噍^淺層地?zé)釤醿囟雀?熱恢復(fù)性更好,經(jīng)過近8個月的非采暖期自然恢復(fù),熱儲易恢復(fù)至較為理想狀態(tài)。

圖5 進(jìn)出口溫度與進(jìn)出口溫差隨時間變化圖Fig.5 Time-dependent diagram of inlet and outlet temperature and temperature difference

圖6 為地?zé)峋畵Q熱量與系統(tǒng)COP隨時間變化圖,可以看出,隨著供暖時間增加,地?zé)峋畵Q熱量呈現(xiàn)下降趨勢,這是因為井下熱儲溫度衰減,儲層側(cè)與埋管側(cè)溫差逐漸減小,致使取熱量逐漸減小。此時間段內(nèi)系統(tǒng)COP最低為3.2,最高達(dá)到4,雖有波動但平均值仍為3.5,性能良好。

圖6 地?zé)峋畵Q熱量與系統(tǒng)COP隨時間變化圖Fig.6 Time-dependent diagram of heat transfer in geothermal well and COP of the system

3.2 淺層地?zé)嵯到y(tǒng)

4號能源站運行數(shù)據(jù)如圖7所示,系統(tǒng)冬季運行時,此時間段內(nèi)地源側(cè)供水溫度為10.7～13.1 ℃,平均溫度為12.1 ℃,回水溫度為8.3～10.6 ℃,平均溫度為9.1 ℃;用戶側(cè)供水溫度為41.1～42 ℃,平均穩(wěn)定在41.8 ℃,回水溫度為36.5～39.4 ℃,平均溫度為37.4 ℃?？梢钥闯?地源側(cè)供回水溫差在3 ℃左右,用戶側(cè)供回水溫差基本穩(wěn)定在3.9 ℃。前期用戶側(cè)供回水溫度呈現(xiàn)上升趨勢,地源側(cè)供回水溫度有下降趨勢,這是因為采暖季前期地上環(huán)境溫度隨季節(jié)加深逐漸降低,需提高地埋管供水溫度獲取更多熱量滿足供暖要求,隨著取熱時間及取熱量增加,地下熱儲層溫度恢復(fù)能力有限,溫度逐漸降低進(jìn)而取熱量減少,導(dǎo)致地埋管出口溫度降低。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,該系統(tǒng)經(jīng)過夏季制冷冬季供暖運行后,冷熱不平衡差4.3%,基本平衡,效果良好。

圖7 冬季運行供、回水溫度Fig.7 Operating water supply and return water temperature in winter

3.3 太陽能+污水源+燃?xì)庀到y(tǒng)

該系統(tǒng)于2020年至2021年對污水源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試,圖8為2020年10月2日到2020年10月27日污水源熱泵機(jī)組COP與系統(tǒng)COP,測試與計算結(jié)果表明,系統(tǒng)COP平均在3.6,污水源熱泵機(jī)組COP平均在4.8。當(dāng)太陽能日輻照量φ≥18 MJ/(m2·d)時,太陽能集熱系統(tǒng)單獨運行即可滿足熱水供應(yīng);當(dāng)太陽能日輻照量8 MJ/(m2·d)≤φ<18 MJ/(m2·d)時,需開啟污水源熱泵配合太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行供熱;當(dāng)太陽能日輻照量φ≤8 MJ/(m2·d)時,需采用太陽能集熱系統(tǒng)+污水源熱泵再以燃?xì)忮仩t為補(bǔ)充才能供應(yīng)足量的洗浴用水。

圖8 日平均COP變化圖Fig.8 Daily average COP variation chart

4 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)本系統(tǒng)實際供暖情況,計算統(tǒng)計一個供暖季的采暖費用,包括運行費用和平均運營成本,折合成每平米費用如表2,其中4號能源站為供暖制冷總費用,可以看出在不考慮初投資的情況下,3號能源站采用的中深層地?zé)?燃?xì)忮仩t供熱的形式相較傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t供熱每平米費用節(jié)省約20.95%,一個供暖季可節(jié)約88.3萬元費用;采用淺層地?zé)嵝问讲粌H可用于冬季供暖夏季也可用于制冷,供暖和制冷的總費用相較燃?xì)忮仩t每平米供暖費用仍可節(jié)省0.68%。

表2 供暖經(jīng)濟(jì)性分析Tab.2 Economic analysis of heating

四個浴室設(shè)備按日耗電量1 200 kW·h計算,電費取0.5元/kW·h,每學(xué)年系統(tǒng)運行費用約為16.2萬元,如果采用燃?xì)忮仩t制備熱水,鍋爐熱效率按90%計算,每學(xué)年需要天然氣111 104 Nm3,天然氣價格取3元/Nm3,年運行費用約為33.3萬元,采用太陽能+污水余熱制備熱水,理想狀態(tài)下,每年可節(jié)省17.1萬元費用。由此可見,采用多能互補(bǔ)的供熱形式經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 環(huán)境效益分析

相較傳統(tǒng)燃煤或燃?xì)忮仩t供暖,采用中深層地?zé)?多能互補(bǔ)形式供熱,以可再生能源為主,一次能源為輔,并對污水余熱進(jìn)行回收利用,在負(fù)荷集中區(qū)就近建設(shè)能源站,節(jié)能減排的同時減少了長距離輸送設(shè)施投資與熱量損耗。

浴室原設(shè)計采用空氣源熱泵+燃?xì)忮仩t方式供熱,每制備1 t熱水需耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.47 kg,利用太陽能+污水源熱泵+燃?xì)忮仩t的方案,只需耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.11 kg,每噸節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3.36 kg。各能源站節(jié)能結(jié)果如表3,可以得到本項目總年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤20 860 t。進(jìn)一步計算減排效益如表4,可得年減排二氧化碳54 650 t,減排硫化物175 t,減排氮氧化物154 t,減排廢渣約210 t,環(huán)境效益顯著。

表3 項目節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤匯總表Tab.3 Summary of standard coal saved by the project

5 結(jié)論

1)中深層U型地?zé)峋M(jìn)出水平均溫差8.7 ℃,系統(tǒng)COP在3.5左右;4號能源站冷熱不平衡率僅為4.3%,基本平衡;浴室污水源熱泵機(jī)組COP平均在4.8左右,系統(tǒng)COP平均在3.6左右,各系統(tǒng)性能良好。

2)3號能源站較傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t供熱每平米費用節(jié)省約20.95%,一個供暖季可節(jié)約88.3萬元費用;4號能源站冬季供暖和夏季制冷的總費用相較燃?xì)忮仩t每平米供暖費用仍可節(jié)省0.68%;浴室熱水系統(tǒng)較燃?xì)忮仩t供熱每學(xué)年可節(jié)省運行費用17.1萬元,此供熱方案經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3)本項目年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤20 860 t,年減排二氧化碳54 650 t,減排硫化物175 t,減排氮氧化物154 t,減排廢渣約210 t,環(huán)境效益顯著。