多能協同能源站冷熱源配置方案比選分析

林嬋

（東南大學土木工程學院 江蘇南京 211102）

0 引言

為推動我國能源結構調整實現節能減排、做好可再生能源供暖工作，冬冷夏熱地區按照“深淺結合、冷熱聯供、因地制宜、多能協同、梯度發展”的思路，開發冬冷夏熱地區地熱資源，穩步提升地熱在可再生能源供熱中的比重。對于供能面積大、供能要求高、需要充足的基礎能源供應來保障供冷和供熱的區域，利用多能源的互相補充是非常必要的。本文以冬冷夏熱地區某綜合型能源站為例，從投資估算、運行費用、節能減排及經濟分析方面，確定了該能源站冷熱源合理的配置方案，為多能協同能源站的冷熱源配置提供可行建議。

1 工程概述

能源站項目位于安徽省合肥市長豐縣。項目占地面積9 702 m2。主要供能對象為北城醫院、幸福莊園。本項目針對供能范圍建設1 座多能協同的區域能源站，滿足該區域內建筑全年的供冷、供熱需求。能源站地下1 層，地上1 層，其中地下建筑面積5 532.8 m2，地上建筑面積1 715.9 m2。

2 冷熱負荷

采用基于DOE-2 實用性最強的全年能耗動態模擬軟件eQUEST，對北城醫院、幸福莊園進行冷熱負荷計算［1-2］，計算結果見表1。

表1 計算所得冷熱負荷匯總表

另外，醫院最大蒸汽消耗量為12.2 t/h，生活熱水消耗量為7.9 t/h。

3 能源系統技術方案

對該項目的能源條件分析如下：

（1）對該區域進行了熱響應試驗分析［3］，具備地埋管淺層地熱能利用條件。由于用戶的計算冷負荷明顯高于熱負荷，而累計冷負荷也明顯高于累計熱負荷，單獨采用地埋管地源熱泵系統會造成冷熱不平衡和夏季設計負荷無法滿足的情況，因此需要設置輔助冷、熱源。

（2）該項目電力資源市政條件完善，容量充足，電價合理，采用地源熱泵系統，對降低運行費用非常有利。

（3）該項目具備燃氣接入條件，可作為輔助熱源，滿足項目可靠性基本要求。同時燃氣價格較高（3.16 元/m3），應盡量承擔調峰負荷。項目所在地有峰谷分時電價，可以考慮采用蓄能系統。

（4）與項目最近的市政蒸汽管網距離用戶較遠，不具備引入市政蒸汽的條件。

根據項目能源資源條件和負荷特點，確定采用“地源熱泵+冷水機組+燃氣鍋爐+冰蓄能”等技術方案組合的復合式能源方案。

該區域能源站服務需求包括夏季空調、冬季采暖、全年生活熱水以及醫院蒸汽消毒。由于只有醫院有蒸汽和生活熱水負荷，因而設計在醫院內建設鍋爐房滿足醫院的蒸汽、生活熱水及調峰熱源需求，建設能源站滿足用戶的空調冷熱需求，是比較經濟合理的方式。

3.1 總體能源配置方案一

冬季由地源熱泵和燃氣鍋爐共同承擔熱負荷，夏季由地源熱泵、冷水機組以及冰蓄冷共同承擔冷負荷。冬季地源熱泵按照完全承擔夜間負荷確定，白天負荷高峰時由燃氣鍋爐調峰，地源熱泵裝機容量為總熱負荷的58.3%，通過負荷統計地源熱泵可以承擔冬季總負荷的85%。

考慮到機組的調節性，共設置3 臺地源熱泵主機，夏季設置3 臺冷水機組+冷卻塔進行輔助制冷。因為能源站有峰谷電價，根據多能互補的設計目標，進一步提高系統的可靠性，將1 臺冷水機組選為雙工況機組，并按照夜間8 h 低谷電時段蓄冰計算，配置冰蓄冷裝置。具體配置見表2。

表2 方案一主要冷熱源設備表

3.2 總體能源配置方案二

冬季由地源熱泵和燃氣鍋爐共同承擔負荷，夏季由地源熱泵、冷水機組和冰蓄冷共同承擔負荷。冬季地源熱泵按照承擔一小部分基礎負荷確定，大部分供暖負荷由燃氣鍋爐承擔，地源熱泵裝機容量為總熱負荷的30%，通過負荷統計，地源熱泵可以承擔冬季總負荷的60%。

考慮到機組的調節性，共設置3 臺地源熱泵主機，夏季設置3 臺冷水機組+冷卻塔進行輔助制冷。因為能源站有峰谷電價，根據多能互補的設計目標，進一步提高系統的可靠性，將1 臺冷水機組選為雙工況機組，并按照夜間8 h 低谷電時段蓄冰計算，配置冰蓄冷裝置，具體配置見表3。

表3 方案二主要冷熱源設備表

4 投資估算

初投資估算費用包括：地源熱泵機房系統所有設備的購置及安裝；機房系統配電、控制柜的制作與安裝；室外地埋管換熱器及水平管系統施工；輔助冷熱源（冷水機組、燃氣鍋爐）系統、冰蓄冷系統；空調外網；醫院熱水及消毒蒸用燃氣鍋爐等。地源井0.85 萬元/口（打井，水平連管，地下小室等）。工程建設其他費取工程造價的12%，基本預備費取工程造價的5%［5］，具體的投資估算見表4。

表4 能源站系統工程投資估算比較 單位：萬元

從投資估算上比較，方案一的工程總投資比方案二略高。

5 系統能耗及運行費用計算

項目所在地電價按照峰谷電均值0.638 元/kWh，天然氣3.16 元/m3，自來水價格為3.4 元/t。自來水主要用于燃氣鍋爐（輔助采暖）以及供能系統（經軟化后）的補水。天然氣主要用于供暖燃氣鍋爐的燃料消耗。

能源站夏季制冷時間按照為5 月中旬至10 月下旬，計159 d。冬季制熱11 月中旬至次年3 月中旬，計110 d。因鍋爐房負擔蒸汽和生活熱水負荷，因而全年運行。

與當地常規的集中供熱和空調方式進行對比分析，夏天冷水機組、冬季燃煤鍋爐提供的市政蒸汽運行費用整理見表5。

表5 運行費用比較 單位：萬元

6 減排量比較

根據《北京市公共建筑節能改造節能量（率）核定方法》（2017）中表B.0.1 規定的折算系數［4］，常用能源折算系數見表6，計算減排量見表7。

表6 常用能源折算系數

表7 減排量比較

比較發現，市政蒸汽（燃煤鍋爐）+常規冷水機組的方案運行費用最低，方案一與其接近。但是燃煤鍋爐不環保，不符合國家綠色能源的發展理念。

7 經濟效益分析

本項目經濟分析計算條件如下：項目貸款利率4.9%，項目基準收益率8%，20 a 固定資產折舊，年均維護成本65 萬元，人員年均費用135 萬元（15 萬元/人×9 人=135 萬元），初投資15 601.3 萬元，5 a 后正常運行費用為2 299.9 萬元，正常收費5 551.35 萬元，（前5 a費用由正常值的50%逐年過渡到100%），采暖接口費2 000 萬元。計算結果見表8。

表8 不同方案的投資回收期

通過經濟效益方面的比較，能源站配置組合更推薦方案一。

8 結論

（1）確定區域能源站冷熱源方案時需因地制宜、多能互補。本項目根據自身條件，具備地埋管淺層地熱能利用條件。為使地源熱泵冷熱負荷平衡，從而配置輔助冷熱源，并利用當地峰谷電價合理、市政燃氣能源可靠等有利條件，確定了項目冷熱源系統主要采用地埋管地源熱泵+冷水機組+冰蓄冷+燃氣鍋爐的復合式系統。

（2）通過對其投資估算、運行費用、節能減排，經濟分析4 個方面的比較，選定了合理的冷熱源機組配置方案。從初投資看，方案一比方案二工程總投資多，但從運行費用、節能減排方面比較，方案一更優。從經濟分析角度，方案一經濟效益更好，因而更推薦方案一。

（3）該項目積極利用可再生能源、清潔能源，有較好的節能效果和系統經濟性。能源站內基本無污染物排放，每年節省標煤耗量約3 718.8 t，每年減排二氧化碳9 743.3 t。方案采用多能互補，系統可靠性高，效率高，經濟效益好。項目動態回收期＜10 a。這為促進可再生能源產業健康快速發展起到了較好的示范作用，高度契合國家能源發展趨勢，是對“碳達峰”“碳中和”要求的具體響應。同時，合理的冷熱源配置也為項目帶來更高的經濟效益和節能效益，為今后類似工程項目提供分析依據。