周巧利,李志海,方姍姍,魏威

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,長沙 410007;2.湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司,長沙 410006;3.中核匯能(湖南)新能源有限公司,長沙 410006)

我國建筑能耗占能源消費(fèi)總量的1/3,其中采暖和空調(diào)能耗占建筑總能耗的55%以上[1]。采用燃?xì)忮仩t或燃?xì)庵比紮C(jī)供暖制冷成為近年來重要的供暖制冷方式,應(yīng)用非常廣泛[2]。但天然氣的燃燒產(chǎn)生大量的碳氧化物,不利于國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),且當(dāng)前我國天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系還不完備,產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不平衡不充分問題較為突出[3],尤其冬冷夏熱地區(qū)天然氣資源缺乏,價(jià)格較高,采用天然氣供暖制冷成本昂貴。2021年國家發(fā)布的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中提出,要積極發(fā)展非化石能源,實(shí)施可再生能源替代行動(dòng),大力發(fā)展地?zé)崮?因地制宜推進(jìn)熱泵、地?zé)崮艿惹鍧嵉吞脊┡?022年《北京市碳達(dá)峰實(shí)施方案》指出,禁止新建和擴(kuò)建燃?xì)猹?dú)立供暖系統(tǒng),推動(dòng)供熱系統(tǒng)能源低碳轉(zhuǎn)型替代,開展地?zé)釤岜锰娲細(xì)夤┡袆?dòng)。大力推進(jìn)供熱系統(tǒng)節(jié)能改造,逐步建立綠色低碳的熱源結(jié)構(gòu)。

淺層地?zé)崮?是指地下200 m以內(nèi)蘊(yùn)藏在巖土、地下水、地表水、城市污水等內(nèi)部具有利用價(jià)值的熱能資源[4],是一種綠色、低碳的可再生能源。我國具有極為豐富的淺層地?zé)崮苜Y源,年可開采量折合標(biāo)煤可達(dá)7×108t[5-6]。利用淺層地?zé)崮芗泄┠芷溥\(yùn)行成本僅為燃?xì)夂碗娔艿裙┠芊绞降?/3[7-8],且不產(chǎn)生碳氧化物、氮氧化物、硫化物等,因此利用淺層地?zé)崮芴娲細(xì)夤┡评涫钱?dāng)今實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措之一。

1 項(xiàng)目概況

1.1 基本情況

本項(xiàng)目位于湖南省淺層地?zé)衢_發(fā)利用試點(diǎn)區(qū)之一的望城,主要為辦公建筑,總建筑面積18.5萬m2,供暖制冷面積13.6萬m2?，F(xiàn)有能源站供暖制冷采用3臺(tái)直燃式溴化鋰機(jī)組,大機(jī)組2臺(tái)(單臺(tái)制冷量6 978 kW,制熱量5 385 kW),小機(jī)組1臺(tái)(單臺(tái)制冷量4 652 kW,制熱量3 582 kW)。溴化鋰機(jī)組2014年投入運(yùn)行,目前設(shè)備狀態(tài)良好。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)記錄,2022年能源站全年燃?xì)庥昧考s136.8萬m3,用電量約148.5萬kW·h。

1.2 供能分析

供冷季:5月15日～9月30日(6∶00～18∶00);供暖季:11月15日～次年3月31日(6∶00～18∶00),均為工作日開啟。經(jīng)過優(yōu)創(chuàng)區(qū)域能源軟件計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況,得出夏季總冷負(fù)荷13 911 kW,冬季熱負(fù)荷10 720 kW;年供熱量3 140 168.7 kW·h,年供冷量6 513 741 kW·h。

2 冷熱源方案確定

2.1 淺層地?zé)崮苜Y源稟賦分析

根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地附近所具有的淺層地?zé)豳Y源條件,分別從土壤地?zé)崮?、地下水地?zé)崮?、污水地?zé)崮?、再生水地?zé)崮堋⒔責(zé)崮?、湖水地?zé)崮艿葘?duì)冷熱源方案的適應(yīng)性進(jìn)行分析,分析結(jié)果如表1。經(jīng)分析,該項(xiàng)目可利用的淺層地?zé)崮転橥寥赖責(zé)崮堋?/p>

表1 淺層地?zé)崮苜Y源稟賦分析

2.2 能源站設(shè)備主機(jī)配置

根據(jù)《湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于公布2020年淺層地?zé)崮芙ㄖ?guī)模化應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目的通知》,試點(diǎn)項(xiàng)目要求淺層地?zé)峁┠苷急炔坏陀?0%。該項(xiàng)目公園內(nèi)可敷設(shè)地埋管的場(chǎng)地有限,約17 000 m2。從土壤冷熱平衡、淺層地?zé)峁┠苷急燃巴顿Y經(jīng)濟(jì)性考慮,本方案按淺層地?zé)崂谜急冗_(dá)到40%設(shè)置地埋管和地源熱泵。其他負(fù)荷不足部分,由燃?xì)庵比紮C(jī)和冷水機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)充。負(fù)荷分析結(jié)果見圖1。

圖1 冷熱負(fù)荷分析

圖1中陰影部分表示累計(jì)冷量和熱量。系統(tǒng)熱負(fù)荷在32%(3 430 kW)及以下時(shí)段,全年累計(jì)供冷和供熱量占了全年總供冷供熱量的40.4%,因此以系統(tǒng)最大熱負(fù)荷的32%配置地源熱泵,就能滿足淺層地?zé)崮芾谜急冗_(dá)到40%的要求。另外,系統(tǒng)冷負(fù)荷在60%(8 346 kW)及以下時(shí)間段,全年累計(jì)供冷和供熱量占了全年總供冷供熱量的87.3%,因此以系統(tǒng)最大冷負(fù)荷的60%配置電制冷機(jī)組,除去地源熱泵能承擔(dān)的冷負(fù)荷外,剩余電制冷負(fù)荷由冷水機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充。而對(duì)于電制冷機(jī)覆蓋不到的負(fù)荷,由于時(shí)間段較少,則使用直燃機(jī)調(diào)峰。這種方式實(shí)現(xiàn)了少開直燃機(jī),也避免了冷水機(jī)組配置較大但基本上處于部分負(fù)荷運(yùn)行,造成投資增加的情況。

以系統(tǒng)最大熱負(fù)荷的32%配置地源熱泵,新增地源熱泵2臺(tái)(單臺(tái)制熱量1 772 kW,制冷量1 582 kW),冬季以地源熱泵運(yùn)行為主,供熱不足時(shí)由原有的燃?xì)庵比紮C(jī)調(diào)峰補(bǔ)充。夏季以最大冷負(fù)荷的60%配置電制冷機(jī)組,除去地源熱泵制冷外,另新增1臺(tái)冷水機(jī)組(制冷量4 572 kW)。夏季以地源熱泵制冷為主,供冷不足時(shí)按順序利用冷水機(jī)組、直燃機(jī)調(diào)峰補(bǔ)充。能源站的設(shè)備配置見表2,淺層地?zé)崮芄┠苷急纫姳?。

表2 新增冷熱源主機(jī)配置

表3 淺層地?zé)崮芄┠苷急?/p>

為了維持土壤冷熱平衡,淺層地?zé)崛旯├?、供熱量?yīng)相等,夏季多余的熱量通過冷卻塔散到空氣中。冬季熱泵機(jī)組供熱時(shí),土壤實(shí)際取熱量為195.8萬kW·h(除掉機(jī)組散熱),因此淺層地?zé)崛旯├涔崃靠傆?jì)為391.6萬kW·h。能源站全年供冷供熱量為965.4 萬kW·h,淺層地?zé)峁├涔嵴急葹?0.4%。

2.3 室外地埋管設(shè)置

采用垂直地埋管系統(tǒng),根據(jù)熱物性測(cè)試報(bào)告得知單位延米換熱量為45.2 W。經(jīng)過地源熱泵設(shè)計(jì)軟件熱平衡計(jì)算所需鉆孔數(shù)量為566個(gè),單個(gè)鉆孔深度為100 m,鉆孔直徑130 mm,雙U型管,鉆孔間距5 m×5 m,地埋管占地面積約14 150 m2。根據(jù)地源熱泵軟件模擬,地源熱泵運(yùn)行20年后地下土壤溫升1.1 ℃,滿足土壤熱平衡的要求。

3 改造后綜合效益分析

1)經(jīng)濟(jì)效益

原有燃?xì)怃寤嚈C(jī)組供能系統(tǒng)燃?xì)夂牧?36.8萬m3/年,用電量148.5萬kW·h/年;采用土壤源地源熱泵改造后,燃?xì)夂牧?4.3萬m3/年,用電量267.1萬kW·h/年。根據(jù)2023年湖南天然氣價(jià)格、電價(jià)政策(天然氣價(jià)格為4.375元/m3、電價(jià)0.634元/(kW·h)),則改造前運(yùn)行成本692.6萬元/年,改造后運(yùn)行成本275.6萬元/年,能源使用成本節(jié)省量達(dá)到417.0萬元/年,節(jié)省比例達(dá)到60%。項(xiàng)目新增投資2 320萬元(含土建、設(shè)備、安裝等費(fèi)用),增量投資回收期約5.6年。

2)環(huán)境效益分析

淺層地?zé)崮軐儆诳稍偕茉?地源熱泵運(yùn)行過程中不排放污染物和產(chǎn)生溫室氣體。原有燃?xì)怃寤嚬┠芊桨?標(biāo)煤年耗量約為2 276.8 t,CO2年排放量約4 442.6 t。采用土壤源地源熱泵改造后,標(biāo)煤年耗量約為1 145.9 t,CO2年排放量約3 196.3 t。標(biāo)煤耗量減少比例達(dá)到49.7%,CO2排放量減少比例達(dá)到28.1%。

3)社會(huì)效益分析

利用淺層地?zé)崮芴娲鷤鹘y(tǒng)燃?xì)夤┡评?減少了燃?xì)庀?降低了碳排放,能助力我國“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn),也對(duì)全國實(shí)現(xiàn)淺層地?zé)崮芙ㄖ?guī)?；瘧?yīng)用起到引領(lǐng)示范作用。

4 結(jié)語

以淺層地?zé)崮芴娲鷤鹘y(tǒng)燃?xì)夤├涔?既經(jīng)濟(jì)節(jié)能又低碳環(huán)保,符合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)要求。在長沙市新的天然氣政策下,采用土壤地?zé)崮芴娲糠秩細(xì)夤┡评浜?節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用417.0萬元/年,節(jié)省比例達(dá)到60%。標(biāo)煤耗量減少比例達(dá)到49.7%,CO2排放量減少比例達(dá)到28.1%。