北京大興國際機場三熱源供熱系統試驗

文_雷開銀 封冠男 文雙娜 北京首都機場動力能源有限公司

北京大興機場致力于建設成為具有世界一流水準的綠色新國門，在建設之初就將“資源節約、環境友好、運行高效和人性化服務”的綠色理念貫徹落實到機場規劃、設計、建設和運行的生命周期之中，全面實踐可持續化的建設與運行理念。

在借鑒北京城市副中心等經驗的基礎上，大興機場創新地提出了集中式地源熱泵系統供熱方案。以蓄滯洪區為地埋孔區域，通過耦合設計，實現地源熱泵與集中鍋爐房、鍋爐煙氣余熱回收系統的有機結合，形成穩定可靠的復合式系統，遠期可為周邊近257萬m2配套建筑提供冷熱需求。

燃氣鍋爐、煙氣余熱熱泵以及地源熱泵的耦合式供熱系統，在具備穩定可靠的特點同時，也因為多熱源的存在，具有了調控的靈活性，各類熱源的不同組合，使得運行時既要考慮不同設備效率、不同階段的供熱需求，還要考慮地熱資源的可持續性及電氣耦合供熱的經濟性，因此耦合供熱系統的研究重點在評價體系及運行策略上。為優化耦合供熱系統的運行策略，借助大興國際機場三熱源耦合供熱系統的運行數據，對耦合供熱運行策略進行不斷的優化，尋找出最佳運行策略。

1 系統介紹

1.1 多熱源耦合供熱系統整體介紹

大興國際機場能源站內有多臺煙氣余熱熱泵、地源熱泵及燃氣鍋爐市政板式換熱器，這三類熱源在并聯后為用戶提供供熱服務。該耦合供熱模式是采用氣電耦合的供熱模式。該能源站各熱源關系如圖1所示。

圖1 三熱源耦合供熱系統示意圖

多類熱源并聯供熱使耦合供熱系統更加靈活可靠。在此類耦合供熱系統中，各熱源之間的解耦、熱源的使用順序及耦合供熱系統的整體評價方式，都是此耦合供熱系統的難點。

1.2 三類熱源介紹

1.2.1 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐產生的熱量通過板式換熱器引入能源站，成為該能源站的一種穩定、可調節性強的熱源。該熱源主要作為補充熱源，因熱量為燃氣鍋爐產生，在運行調節上受到燃氣鍋爐供水溫度的影響，并且在分析評估上，該能源站的能耗與燃氣鍋爐所消耗能耗的劃分界面不清楚。

1.2.2 煙氣余熱熱泵

煙氣余熱熱泵是利用煙氣熱泵機組將隨著鍋爐煙氣排入大氣的廢熱進行回收并轉移至低溫水上，作為三熱源耦合供熱系統的熱源之一。該能源站站內煙氣熱泵主要是將噴淋水中熱量通過逆卡洛循環轉移到低溫水上，噴淋水中熱量為水在噴淋塔處直接與煙氣接觸換熱獲得。

煙氣余熱利用熱泵充分利用了燃氣鍋爐產生的煙氣中的廢熱，同時受燃氣鍋爐負荷的影響，其必須在煙氣廢熱熱量達到一定量才能啟動熱泵機組。

1.2.3 地源熱泵

地源熱泵是利用地源熱泵機組將地埋管收集起來的地下熱量轉移至低溫水上，作為低溫水熱源。大興機場內該能源站地源熱泵機組主要將地源側水中熱量通過逆卡洛循環轉移到低溫水上，地源側水中的熱量是地埋管深入120m時與周圍土壤換熱所得。如何保證地源熱泵站冬夏季地埋側取放熱量的平衡，確保淺層地熱資源的可持續使用是運行中需要考慮的關鍵性問題。

2 運行策略管理

2.1 設計策略

設計供熱運行策略以地源熱泵作為基礎熱源，以煙氣余熱利用熱泵及市政熱力作為調峰熱源。即優先使用地源熱泵，其次使用煙氣熱泵與市政熱力作為補充。考慮熱泵機組的運行費用較燃氣鍋爐低，且煙氣熱泵如不開啟，則煙氣尾部熱量散失。三類熱源的使用順序為地源熱泵＞煙氣余熱利用熱泵＞燃氣鍋爐。

2.2 實際運行策略

在實際運行過程中，結合兩類熱泵機組的設計COP值及峰谷平尖電價的情況，在滿足可再生能源利用率的前提下，盡可能提高系統的整體效率及經濟性。

按設計參數進行計算，單獨使用任何單一熱源時，單位GJ熱量所需的成本變化如圖2所示。

圖2 三熱源耦合供熱理論成本計算

實際運行策略為供熱初期、末期的電價平段與谷段使用地源熱泵機組；供熱中期的電價平段與谷段使用煙氣余熱利用熱泵；供熱期間的電價峰段使用燃氣鍋爐提供的熱量。初期、中期、末期的劃分按可再生能源的使用量進行劃分，確保可再生能源利用率提升。

2.3 實際運行中的策略優化

結合實際運行策略，在2020～2021年供熱季進行試驗驗證。分別對比三類設備單獨供熱時的單位GJ熱量所需成本情況如圖3所示。

圖3 實際運行中每日運行成本對比

根據圖3中參數，實際運行策略中，根據實際運行數據顯示，峰谷平尖電價錯峰運行49元/GJ較單一熱源成本最低的全天使用煙氣熱泵56元/GJ要低12.5%。但是各類設備單位GJ熱量所需成本較理論計算數值有所下降，主要受設備變頻的影響。僅對比水泵的理論計算電耗與實際運行中的電耗進行對比，設備變頻降低了60%左右的電耗。

綜上，根據電價及設備效率制定的三熱源耦合運行策略，通過試驗數據驗證，有效地降低12.5%的運行能耗成本，同時也可保障可再生能源利用率。在多熱源耦合供熱系統中有一定的參考意義。同時，變頻設備可大幅降低生產能耗，對于節能降耗有較大助力。

3 結語

結合大興國際機場供熱系統的建設設計情況，利用理論計算及試驗驗證對耦合系統的運行策略進行綜合確定。在電與天然氣兩類熱源之間，可根據一天內電價變化，調整不同時間段使用的設備，可大幅降低運行成本。以本文中的供熱系統為模型，試驗驗證可降低12.5%的運行能耗成本。

根據電價及設備效率制定的三熱源耦合運行策略，通過試驗數據驗證，切實有效地降低了生產成本，同時也可保障可再生能源利用率。在多熱源耦合供熱系統中有一定的參考意義。同時變頻設備可大幅降低生產能耗，對于節能降耗有較大助力。