熱泵能源站的應用探索

杜恩廣,喬清海,呂義清,樊俊文

(1.北京市地質礦產勘查開發總公司,北京 100035;2.太原市國土資源局,太原 030009;3.太原市國土資源局 萬柏林分局,太原 030024;4.太原市國土資源局萬柏林分局,太原 030024)

根據我國首個地熱發展規劃《地熱能開發利用“十三五”發展規劃》,到2020年,我國地熱供暖(制冷)面積將累計達16億m2,新增地熱能供暖(制冷)面積11億m2。2020年地熱能年利用總量7 000萬t標準煤,其中地熱供暖年利用量4 000萬t。地熱產業發展前景十分廣闊,發展迎來了新機遇。

眾所周知,地源熱泵技術是地熱能應用的核心技術,不論是淺層地溫能的供暖制冷,還是中深層地熱能的梯級利用,都離不開熱泵技術。從2008年北京奧運會項目,2010年上海世博會上的世博軸,延伸至如今的雄安新區、北京城市副中心、新機場和冬奧會等一批重大項目,熱泵地熱能的應用越來越趨向于區域能源站的建設方式。

1 我國地熱開發的新趨勢

1.1 地熱供暖制冷的市場空間不斷增大

城鎮化的快速發展促使地熱產業市場空間不斷增大。根據《中國建筑節能年度發展報告2017》,截至2015年我國建筑面積總量約為573億m2,北方城鎮地區供暖面積已達132億m2,預計到2020年之前我國形成的建筑規模將達到700億m2左右[1]。

2017年12月16日國家十部委共同發布《北方地區冬季清潔取暖規劃2017-2021》,北方地區清潔供暖政策密集出臺,為地熱取代燃煤鍋爐供暖提供了大好機遇。“傳統的秦嶺-淮河供暖線已經過時,南方冬季的陰冷天氣異常難熬”,我國的夏熱冬冷地區江河湖泊等水系發達,非常適宜地表水地源熱泵系統冬天供暖、夏天制冷,以長江三角洲為代表的夏熱冬冷地區的供暖需求日益增長。

1.2 地熱供暖制冷的項目規模不斷提升

傳統意義上,熱泵系統的項目主要針對辦公建筑、商場酒店、醫院等建筑供暖和制冷,規模相對較小,然而今年來,熱泵淺層地溫能的利用呈現出規模化、大型化的特點。在建的北京城市副中心以熱泵淺層地溫能利用為主,將實現300多萬m2建筑的供暖和制冷。中深層地熱熱泵梯級利用的“雄縣模式”,和規劃中的雄安新區將實現地熱供暖制冷千萬平方米甚至上億平方米的規模。

1.3 地熱供暖制冷的冷熱源形式多種多樣

除了常規的淺層地溫能地埋管熱泵系統、地下水熱泵系統和中深層地熱梯級利用,熱泵冷熱源形式呈現多元化發展趨勢。我國南方城市多沿湖、沿江、沿海而建,非常適合地表水地源熱泵系統供暖和制冷;利用我國城市在建和已有的大量污水處理廠,采用污水(再生水)熱泵技術的工程應用越來越多;以利用油田為代表的油田采油污水源熱泵系統實現了油田及周邊地區的供暖、制冷。結合我國煤礦生產工藝系統實際情況,利用已有的煤礦排水系統、通風系統,采用熱泵技術將低品位的礦井余熱轉化成能夠供暖的熱源,取得了良好的效果。

從以上我國地熱開發的新趨勢不難看出,利用熱泵技術進行地熱開發已經從單一供暖、制冷的熱泵項目發展到多能并舉、解決區域能源的新階段。

2 區域能源系統

區域能源(District Energy)概念是在20世紀初工業由“小而分散”向“大而集中”時代發展起來的,旨在高效滿足區域內所有用能需求。“區域”可以是一個城市、一個工業區或大型住區,也可以是一個小區或建筑群,還可以是特指的開發區、園區等。涵蓋從熱電聯產到集中供暖、區域供冷、供電等各種技術措施。

區域能源包括政策、商業模式、市場成熟度、技術積累和本地資源。服務商包括設備廠商、運營商、能源服務公司、電力企業以及相關機構,尤其是能源站運營管理服務商作用很大。重點從前期的單純規劃向建設、后期運營偏移[1]。

在供暖、制冷領域,區域能源系統像城市給水、電力一樣是一項公用事業,是城市的基礎設施之一,是為了滿足某一特定區域內建筑群落的集中供冷、供熱需求,由專門的能源中心集中制造冷水、熱水等,通過區域管網進行供給的一個或多個大規模生活熱水、中央空調冷熱源系統。

由于各座建筑的空調負荷不可能同時出現峰值,因此設備的裝機容量會小于分散設置空調機房時總的裝機容量,從而有可能減少設備的初投資。由于采用規模化建設、專業化運營等措施,區域供能的能源成本要低于分散式空調機房的能源成本。

3 熱泵能源站

3.1 熱泵能源站的概念

地源熱泵是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。它是一種利用可再生能源——地下淺層地溫能(包括地表水、地下水、土壤等)的既可供熱又可制冷的新型高效節能空調系統。

熱泵能源站一定是基于熱泵技術的,根據服務對象項目所在地所具有的地熱和淺層地熱資源條件,采用多種多樣的技術路線組合的能源站,有深層的地熱梯級利用的能源站,有深層地熱梯級利用+埋管地源熱泵的能源站,也有地表水熱泵、江水熱泵或再生水熱泵以及工業余熱的地源熱泵能源站,熱泵能源站還可以是和燃氣鍋爐、蓄能電鍋爐、冷卻塔等常規能源搭配而成的復合能源系統。

3.2 熱泵能源站的規模

熱泵地熱能的開發在我國呈現出爆發式增長,供暖制冷的面積和區域趨于規模化、大型化,呈現出區域能源的特點,那么熱泵能源站該如何設置,是不是越大越好呢?

我們知道供暖系統由熱媒、熱媒輸送管網和室內供熱系統組成，常規的熱媒熱水供暖系統供、回水溫度一般為95 ℃/70 ℃，溫差25 ℃，大溫差主要是可以有效降低管網的施工成本和能源遠距離傳輸的損失。

然而熱泵不是鍋爐，熱泵技術供暖常規出水溫度在45 ℃～60 ℃之間，熱泵機組熱水側出水溫度每升高1 ℃，設備能效比COP降低3%，同時熱泵供暖系統的供回水溫差一般在5 ℃～10 ℃之間，根據熱泵的出水溫度特點和供暖溫差，從保證系統能效比、有效降低熱、冷等遠距離能量輸送損失的角度出發，熱泵能源站的服務規模大約為20萬m2～50萬m2，最小一般不低于15萬m2。

3.3 熱泵能源站的實施條件

熱泵能源站是基于項目所在地的地熱和淺層地熱地質條件而建,它的成功實施主要有以下三個條件:

1) 有穩定可靠的冷熱源,如地表水、地下水、工業余熱、可埋管區域等。

2) 相對集中的供暖、制冷需求和明確穩定的冷熱負荷需求。

3) 能源站區域管網的規劃能夠可靠實施,且不易過遠。

涉及公共設施和服務的規劃一般都離不開發改委和規劃局。熱泵能源站規劃在規模上還達不到城市級別,甚至是行政區級別,基本上是工業園區、住宅小區等園區級別,在服務功能上,也只是區域能源規劃中供暖制冷這一個專項。這樣一個規劃往往容易跟城市現有規劃架構不協調,或者不吻合。

按照天津市的經驗[2],這些規劃都是配合著規劃局、規劃院一起做的,是在城市總體規劃中尋找潛在的深淺層地溫能資源,包括污水處理廠、地表水等,根據這些資源的分布來決定這些可能的能源站的落地和實施。配合了城市總體的規劃,我們的專項規劃在落實上就好比上了保險。

4 熱泵能源站技術應用探討

4.1 整體規劃,分步實施

每個能源站的規劃服務規模一般都在幾十萬平方米以上,但并不是能源站一建成就全部投入使用,所以在規劃之初就需要提前考慮周全。

在能源出處,深淺層地熱能開發建設部分最好是按照規劃一次建設到位,而在能源站房配置方面,則可以分期建設。比如能源站房內規劃6臺離心熱泵機組,考慮前期使用率可能只有規劃面積的50%,我們前期可以只配置3臺機組的裝機容量,而能源站房的面積、土建費用和深淺層地熱能的能源系統需要一次建設完畢,避免能源管網的重復建設。

4.2 需求調查,降低投資

每個能源站服務的建筑群體使用功能不一定相同,可能有辦公建筑、學校、醫院、酒店和住宅等等,這些建筑物的逐時負荷需求不會同時到達最高峰,根據不同建筑單體使用時間及負荷的變化,綜合考慮同時使用系數,減少設備總裝機容量。

對規劃服務區內的每棟建筑物的使用功能、空調面積、使用時間、負荷需求和變化情況盡可能調查清楚,圈起紅線,統計列表,對號入座。同時對能源輸送市政管網做出規劃。

4.3 熱泵為主,多能并舉

4.3.1 復合式能源的特點

單一的地源熱泵系統,尤其是地埋管熱泵系統比常規的空調系統初投資高,同時存在占地面積大的特點;另一方面單一的地源熱泵系統承擔所有的空調負荷,可能會造成其從地下巖土體中取/排熱量的不平衡,尤其是北方嚴寒地區和南方濕熱地區,長期運行系統的運行效率會降低,節能性下降。

復合式地源熱泵能源系統能夠利用輔助供熱或輔助供冷裝置來滿足高峰負荷,在維持地下巖土體冷熱平衡的同時降低了系統的初投資,也提高了系統的經濟性和運行的可靠性。

4.3.2 復合式能源的關鍵技術

復合式熱泵能源系統的應用主要體現在以下四個方面:“深淺結合”“天地結合”“調蓄結合”“表里結合”[3]。

“深淺結合”主要是淺層地溫能與深層水熱型地熱資源的結合,深層地熱通過熱泵技術,采用梯級利用的技術做到能源的利用最大化。

“天地結合”主要為太陽能(風能)與地熱能的結合,尤其是與太陽能的結合。在初投資上,太陽能系統完全為增量成本,系統的初投資較高[4]。首先在經濟許可的前提下最大限度的利用太陽能,其次這種復合技術適宜全年提供生活熱水、冬季供暖和夏季制冷的全年綜合利用場合,目的在于全年綜合利用太陽能,避免閑置的同時還能增加集熱器壽命。地源熱泵與風能的結合在于風能可以給系統提供電力的供應。

“調蓄結合”中“調”為調峰,“蓄”為蓄能。調峰的意義首先在于系統的穩定運行,使能源的供應更加可靠,不論是“冷卻塔調峰”還是”鍋爐調峰”都有效地平衡了地源熱泵系統取熱量和排熱量的差異;其次,調峰有效地削減了“本應由地源熱泵承擔的峰值負荷”,使得熱泵系統只承擔了系統60%～70%的基礎負荷,一定程度上降低了系統初投資,提高了系統經濟性。

“蓄能”可以有效地和電力系統的分時電價相結合,宏觀上可以對電網“削峰填谷”,平衡電網負荷,微觀上可以享受分時電價,節省大量運行費用。在系統搭配上,可以減少熱泵機組的裝機容量和功率達30%～50%,相應地減少地埋管的數量等熱源的數量,降低電力投資,比如電力貼費、變壓器和配電柜等。由于蓄能系統是利用晚上低谷電蓄能的,因此最適合于晚上電力低谷時無空調負荷(或負荷較小)的情況。

“表里結合”中的“表”為地表水熱泵,典型的項目應用為上海世博軸復合熱泵系統,大規模應用地埋管和江水源熱泵的完全“綠色空調系統”。地表水極容易獲取,又免去回灌問題,這種系統往往初投資最低,運行經濟性最好。

4.4 能源站房的選址

能源站房選址主要考慮兩個因素,第一要靠近供暖制冷的服務區,或者位于服務區中心位置,第二要靠近冷熱源,便于取能。這兩個原則既能減少冷熱源系統和市政熱力管網的初投資,同時還減少了能源在輸送過程中的損耗。

這兩個原則有時候并不協調,比如地熱井的位置、污水廠、污水干渠的位置、江水、河流的位置、礦井的位置等,這就需要做很多方案選址,進行經濟比較。能源站選址的時候,不論是冷熱源管網還是熱力管網,一定要考慮管網是不是必須跨越鐵路、河流等特殊關卡,此類關卡甚至決定了系統的成敗。

5 熱泵能源站的經濟性

在經濟性方面,每個能源站的能源方式、搭配方式、初投資、資金成本(利息)、用戶(辦公、住宅、工廠、醫院等)、運行方式(供暖、制冷等)和收費標準等的不同均影響著項目投資的經濟性。本文舉兩個較典型案例:地埋管熱泵能源站案例和地表水熱泵能源站。

5.1 地埋管熱泵能源站案例

5.1.1 項目簡介

本案例在河北大廠金隅工業園,工業園占地67 ha,園區自主投資,主要為廠房供暖,廠房平均梁下高度9.1 m,還有園區辦公樓和宿舍等。規劃供暖方式以地埋管地源熱泵為主,綜合考慮了深層地熱、工業煙氣熱回收、生物質鍋爐和蓄能相結合的能源方式。

考慮到燃氣成本的逐年上升和燃氣供應不穩的特點,避免與工業生產 “搶氣”,規劃時未考慮燃氣調峰。一期供暖面積12.7萬m2,以地埋管熱泵技術為主,采用了蓄能和生物質鍋爐相結合的能源方式。

蓄能在該項目中除了使業主享受低谷電(高峰和低谷電價比3:1)的優惠外,更使得園區可以放心地白天生產用電,夜間蓄能用電,園區總變配電裝機容量下降,園區感覺到了“意外的收獲”。

5.1.2 經濟性統計

在能量統計中,我們設置了峰谷平分段智能電表,可以分別統計系統在不同時段的用電量。通過對項目運行當年12月16日-1月15日電量及費用統計計算,我們得出系統的平均日耗電量如表1所示。

表1 蓄能式熱泵系統平均日用電量統計表[5]Table 1 Average daily electricity consumption of storage heat pump system

以平均值計算一個月內每天夜間蓄能,白天放能工況,西區一個月供暖費為132 568.9元,東區一個月供暖費為121 358.4元,合計253 927.25元,以本計算方式為基準計算供暖季總供暖費為101萬元,廠房供暖面積126 544.5m2,平均每平米單價為8.026元/m2(每月按30 d計算)。供暖季結束后,最終與使用方確認系統實際運行費不到8元/m2,考慮主要原因為系統在供暖季初期和后期負荷小,運行費降低所致。

項目所在地市政供暖收費標準為58元/m2,兩者相比較,蓄能式熱泵系統供暖運行費用比市政采暖節約運行費86.2%,節能節費顯著。

5.2 地表水熱泵能源站案例

5.2.1 項目簡介

本案例為貴州省某地表水熱泵能源站項目。項目規劃面積50萬m2,一期規劃20萬m2,主要為政府辦公樓、酒店和游樂場所。項目采用BOT形式能源投資方式,建成后前兩年內按50%使用率10萬m2考慮,以后按20萬m2計算,規劃一期建成后4年開始建設二期至50萬m2。

5.2.2 投資經濟性核算

取項目附近江水地表水作為冷熱源,取水點距能源站1000 m,周邊服務建筑距能源站不超過2000 m。不考慮站房土建成本,該項目現金流量計算如下:

1) 現值(初投資)P=3 000萬元,建設期1 a,運維年限n=20 a,利息為0。

2) 等額年金(每年的收益)A1=630萬元,A2=1 260萬元,計算如下:

項目每年制冷期6個月,供暖期3個月,運行成本3元/m2/月,收費標準10元/m2/月,前兩年按照使用率10萬m2計算,第三年開始按照20萬m2計算,

A1=(10-3) 元/m2/月×9個月×10萬m2=630萬元。

A2=(10-3) 元/m2/月×9個月×20萬m2=1 260萬元。

3) 終值Fi為第i年末的現金總值

F2=P+2A1=(-3 000)+630+630=(-1 740)萬元,

F3=F2+A2=(-1 740)+1 260=(-480)萬元,

F4=F3+A2=(-480)+1 260=780萬元>0,投資成本已收回,且盈利780萬元,

F20=P+2A1+18A2=20 940萬元(不考慮殘值價值)。

4) 年投資回報率=(F20-P)/P/21 a=28.5%。

由此可見,一個好的地表水熱泵能源站的收益率有點讓人“出乎意料”。

6 結論

從我國地熱開發的新趨勢不難看出熱泵能源站將是地源熱泵未來發展的主要的形式。熱泵能源站并不是越大越好,它的實施有一些具體的要求。熱泵能源站是復合能源系統,是一個集多種能源方式和技術的綜合體。從財務角度出發,一個好的能源站一定有一個好的投資回報。熱泵能源站一定會得到越來越多社會資本的認可,地熱開發將進入一個新的高度。

[1] 華賁.分布式供能與區域能源的異與同[N/OL].中國能源報, 2017-02-13 [2017-12-31]. http://paper.people.com.cn/zgnyb/html/2017-02/13/content_1750007.htm.

[2] 伍小亭.天津市基于熱泵技術的綜合能源站——實踐與思考[J].建設科技,2017(2):45-46.

[3] 李寧波,李翔,楊俊偉,等.如何實現"地源熱泵+"的模式[J].供熱制冷,2017(11):58-62.

[4] 徐偉.地源熱泵技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[5] 杜恩廣.蓄能式熱泵技術在工業廠房中的應用[J].地源熱泵,2017(10):99-105.