移動(dòng)學(xué)院三期工程建筑熱源方案研究

白睿祖

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1 研究背景

1.1 建筑熱源簡述

為改善國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的資源消耗和環(huán)境惡化，通過建筑節(jié)能降低能源消耗已成為建筑行業(yè)的共識(shí)。建筑熱源是建筑物消耗能源的重要組成部分，在我國北方地區(qū)建筑熱源能耗約占建筑物總能耗的一半以上，建筑熱源的利用形式直接決定了建筑的能耗特點(diǎn)及對環(huán)境的影響情況，擇優(yōu)選擇節(jié)能、綠色、環(huán)保的建筑熱源將有利于實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的總體要求。建筑熱源方案選擇首先應(yīng)滿足技術(shù)適用性，首先應(yīng)符合國家對節(jié)能、環(huán)保的政策要求，還需因地制宜的兼顧項(xiàng)目區(qū)域能源供應(yīng)條件和能源技術(shù)的適用性、可實(shí)施性，以保證項(xiàng)目實(shí)施、使用的便利性和運(yùn)營安全。其次宜盡量采用建設(shè)、運(yùn)營投資較低的利用方案。

1.2 工程概況及設(shè)計(jì)熱負(fù)荷

移動(dòng)學(xué)院位于北京昌平小湯山鎮(zhèn)，所在區(qū)域地?zé)豳Y源豐富，為熱田核心區(qū)域，已投入使用的既有建筑熱源全部由地?zé)崴峁Ｈ诠こ炭偨ㄖ娣e約4萬平方米，建筑使用性質(zhì)包含綜合教研樓、學(xué)員宿舍等。根據(jù)地域溫濕度歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑布局及使用功能，工程設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為3682kW。

2 移動(dòng)學(xué)院三期工程建筑熱源技術(shù)適用性分析

建筑熱源的利用形式直接決定了建筑的能耗特點(diǎn)及對外部環(huán)境的影響，為保障工程對建筑熱源的需求，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色、環(huán)保的建筑熱源的選用，基于工程項(xiàng)目特點(diǎn)、區(qū)域環(huán)境特征，針對六種具有代表性的熱源方案就政策要求、環(huán)境影響、技術(shù)性能及實(shí)施條件進(jìn)行了技術(shù)適用性評價(jià)分析。

2.1 地源熱泵

地源熱泵系統(tǒng)利用地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，實(shí)現(xiàn)低熱能轉(zhuǎn)移。冬季把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，一個(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)，實(shí)現(xiàn)冬季供熱夏季制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。適用性分析如下：政策要求：政策扶持，推廣發(fā)展。北京地區(qū)作為可再生能源示范城市，采用地源熱泵可申請建設(shè)部和地方財(cái)政補(bǔ)貼。環(huán)境影響：當(dāng)?shù)氐叵滤桓撸蠈油临|(zhì)主要為粘性土壤，并與各層蓄水結(jié)構(gòu)沿垂直方向形成交替分布狀況。按照地埋管埋深100m～120m 的要求，易造成地下50m 的淺層水以下蓄水層及水源污染風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)性能及實(shí)施條件：當(dāng)?shù)氐靥幍叵聼崽镏醒耄叵?00m 處土壤溫度常年為30℃以上，導(dǎo)致夏季制冷條件惡劣，且地埋管使用壽命縮短，無法滿足20年經(jīng)濟(jì)使用期。經(jīng)分析，地源熱泵雖屬經(jīng)濟(jì)高效的可再生能源，并獲得國家和地方政策支持，但因項(xiàng)目所在區(qū)域地下溫度高，系統(tǒng)運(yùn)行壽命嚴(yán)重降低，土壤結(jié)構(gòu)易造成地下水源環(huán)境污染，可實(shí)施性及技術(shù)適宜性較差，不適用于本工程。

2.2 電鍋爐

電鍋爐也稱電加熱鍋爐，是由電力能源轉(zhuǎn)化成為熱能，經(jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體的鍋爐設(shè)備。電力部門鼓勵(lì)蓄熱式電鍋爐在夜間低谷時(shí)段用電力加熱，并享受優(yōu)惠電價(jià)。適用性分析如下：政策要求：限制作為主供熱源連續(xù)運(yùn)行，允許夜間蓄熱作為輔助熱源。北京地區(qū)由于電力資源供應(yīng)緊張，基于節(jié)能減排考慮，行政主管部門允許在夜間用電低谷時(shí)段享受優(yōu)惠電價(jià)使用電蓄熱鍋爐作為建筑輔助熱源。環(huán)境影響：輸入能源為電能，對使用地點(diǎn)環(huán)境無污染。技術(shù)性能及實(shí)施條件：電鍋爐作為主供熱源電力缺口大，輔助供熱用電容量有保障。按照配置常壓蓄熱電熱水鍋爐2臺(tái)，每臺(tái)額定熱功率為840kW 測算，平均小時(shí)可提供熱量為700kW～1400kW。經(jīng)分析，受北京市用電政策及供電容量限制，電鍋爐供熱不能作為工程的主用建筑熱源，可作為輔助熱源滿足部分需求。

2.3 太陽能

太陽能供熱系統(tǒng)是利用太陽能集熱器收集太陽能以滿足建筑熱能需求的系統(tǒng)，包括太陽能集熱器、貯水箱、連接管道、控制系統(tǒng)和輔助能源。適用性分析如下：政策要求：鼓勵(lì)新建項(xiàng)目采用太陽能供熱系統(tǒng)，北京市已將建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)納入地方標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)境影響：利用了可再生的自然資源，具有建筑節(jié)能減排示范意義。技術(shù)性能及實(shí)施條件：結(jié)合工程建筑及屋面設(shè)計(jì)布局，屋頂可安裝集熱器面積約600m2，總制熱量為756kW。經(jīng)分析，由于可利用場地小，太陽能供熱不能作為工程的主用建筑熱源，可作為輔助熱源滿足部分需求。

2.4 污水源

污水源系統(tǒng)可同時(shí)提供建筑冷熱源，其主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)，消耗少量電能，在冬季把存于污水中的低位熱能“提取”出來，為用戶供熱，夏季則把室內(nèi)的熱量“提取”出來，釋放到污水中，從而降低室溫，達(dá)到制冷的效果。適用性分析如下：國家政策：采用污水源技術(shù)能夠提高能源高效率的使用并減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，變廢為寶，符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排方針政策。環(huán)境影響：沒有廢物排放，真正實(shí)現(xiàn)零污染，環(huán)境效益顯著，對建設(shè)節(jié)能建筑具有較大的示范意義。技術(shù)性能及實(shí)施條件：測算最大日生活污水排放量為600m3/d，日生活污水排放量為420m3/d，平均每小時(shí)污水量為17.5m3/h，冬季總制熱量僅為180kW。經(jīng)分析，污水源雖然符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策要求，節(jié)能減排示范意義較為顯著，但總制熱量較小，不適用于本工程。

2.5 天然氣

天然氣直燃機(jī)通過天然氣直接在溴化鋰吸收式機(jī)組的高壓發(fā)生器中燃燒產(chǎn)生高溫火焰作為熱源，利用吸收式制冷循環(huán)的原理，制取冷熱水，供夏季制冷和冬季采暖使用。適用性分析如下：政策要求：天然氣直燃機(jī)用氣價(jià)格優(yōu)惠。環(huán)境影響：減少電能消耗，對城市能源季節(jié)性的平衡起到一定的積極作用，對大氣污染相對較小。技術(shù)性能及實(shí)施條件：冬季建筑熱源可由天然氣直燃機(jī)直接供熱，夏季建筑冷源可由直燃機(jī)通過能源交換供冷方式提供。建筑熱源穩(wěn)定性較好。經(jīng)分析，由于天然氣提供的建筑熱源穩(wěn)定性較好，且供暖量可全部滿足建筑熱量需求，天然氣直燃機(jī)供熱方案可作為工程的主用熱源。

2.6 地?zé)崴?/h3>

地?zé)崴崾侵咐玫責(zé)衢_采井提供的地下熱水資源，通過儲(chǔ)水箱及加壓泵增壓、過濾后，作為建筑熱源滿足建筑熱量使用需求。適用性分析如下：政策要求：小湯山地?zé)崽镏行牡貐^(qū)為嚴(yán)格控采區(qū)，區(qū)內(nèi)原則上不再增大開采量。環(huán)境影響：地?zé)衢_采井出水作為建筑熱源使用后，通過回灌井100%反饋至地?zé)峄厮畬樱欣诒Ｗo(hù)區(qū)域的地?zé)崴Y源長期利用，對環(huán)境無污染。技術(shù)性能及實(shí)施條件：新建地?zé)衢_采井政策不支持，現(xiàn)有富裕地?zé)崴疂M足部分建筑熱量需求，學(xué)院現(xiàn)有地?zé)峋畲箝_采量約72t/h，出水溫度約62°，使用情況較為穩(wěn)定，經(jīng)測算在極寒天氣情況下可富裕地?zé)崴?5t噸/h，可提供總制熱量約2400kW。

經(jīng)分析，地?zé)崴釤嵩捶€(wěn)定，對環(huán)境無污染，雖然政策不支持新建地?zé)衢_采井，但現(xiàn)有剩余地?zé)崴蓾M足大部分建筑熱量需求，利用現(xiàn)有剩余地?zé)崴勺鳛楣こ痰慕ㄖ饔脽嵩矗瑹崃坎蛔悴糠挚捎奢o助熱源補(bǔ)充形成多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)。

2.7 技術(shù)適用性方案選擇

經(jīng)技術(shù)適用性評價(jià)，得出結(jié)論為：地源熱泵供熱方案、污水源方案不適宜在本工程應(yīng)用；電鍋爐供熱方案、太陽能供熱方案可作為輔助熱源應(yīng)用；天然氣直燃機(jī)供熱方案可作為單一主用熱源應(yīng)用并滿足全部用熱需求；地?zé)崴岱桨缚衫檬Ｓ嗟責(zé)嶙鳛橹饔脽嵩矗瑹崃坎蛔悴糠旨s1282kW可由電鍋爐供熱方案提供的熱量補(bǔ)充，組成多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)滿足全部用熱需求。

3 移動(dòng)學(xué)院三期工程建筑熱源方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)選

經(jīng)分析，天然氣直燃機(jī)單一熱源供熱，利用剩余地?zé)?電蓄熱鍋爐輔助的多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)兩個(gè)供熱方案可滿足需求且技術(shù)可行。就兩個(gè)熱源方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比，選取建設(shè)、運(yùn)營投資較低的方案作為建筑熱源最優(yōu)方案。

3.1 熱源方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

經(jīng)測算，天然氣直燃機(jī)單一熱源供熱方案建設(shè)工程費(fèi)用約1400 萬元，年運(yùn)營費(fèi)用約89 萬元，以20 年為周期的全壽命周期成本為3180萬元。利用剩余地?zé)?電蓄熱鍋爐輔助的多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)方案建設(shè)工程費(fèi)用約930 萬元，年運(yùn)營費(fèi)用約81 萬元，以20年為周期的全壽命周期成本為2550萬。

3.2 熱源方案優(yōu)選

經(jīng)全壽命周期成本經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比，確定全壽命周期建設(shè)、運(yùn)營成本較低的利用剩余地?zé)?電蓄熱鍋爐輔助的多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)方案作為工程建筑熱源最優(yōu)方案。

4 結(jié)束語

通過政策要求、環(huán)境影響、技術(shù)性能及實(shí)施條件開展技術(shù)適用性初評，通過全壽命周期成本開展經(jīng)濟(jì)合理性評價(jià)優(yōu)選的評價(jià)體系，不僅有效解決了本工程建筑熱源方案的選擇，也可有效應(yīng)用于類似項(xiàng)目，具有推廣借鑒意義。利用剩余地?zé)嶙鳛楣こ痰慕ㄖ饔脽嵩矗浞掷昧丝沙掷m(xù)再生的天然地下熱源，最大限度減少礦物性資源消耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，貫徹和踐行了綠色環(huán)保理念。建議擇機(jī)對既有建筑系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造挖潛，例如：更換使用壽命到期的板式換熱器、更換衛(wèi)生熱水水箱的保溫、改善管道的保溫、將衛(wèi)生熱水系統(tǒng)改造成同程系統(tǒng)等。降低建筑熱源總需求量，提高地?zé)崴褂煤娃D(zhuǎn)換效率，提高空調(diào)、采暖系統(tǒng)熱利用率。