北京大兴国际机场三热源供热系统试验
2022-02-28雷开银封冠男文双娜北京首都机场动力能源有限公司
文_雷开银 封冠男 文双娜 北京首都机场动力能源有限公司
北京大兴机场致力于建设成为具有世界一流水准的绿色新国门，在建设之初就将“资源节约、环境友好、运行高效和人性化服务”的绿色理念贯彻落实到机场规划、设计、建设和运行的生命周期之中，全面实践可持续化的建设与运行理念。
在借鉴北京城市副中心等经验的基础上，大兴机场创新地提出了集中式地源热泵系统供热方案。以蓄滞洪区为地埋孔区域，通过耦合设计，实现地源热泵与集中锅炉房、锅炉烟气余热回收系统的有机结合，形成稳定可靠的复合式系统，远期可为周边近257万m2配套建筑提供冷热需求。
燃气锅炉、烟气余热热泵以及地源热泵的耦合式供热系统，在具备稳定可靠的特点同时，也因为多热源的存在，具有了调控的灵活性，各类热源的不同组合，使得运行时既要考虑不同设备效率、不同阶段的供热需求，还要考虑地热资源的可持续性及电气耦合供热的经济性，因此耦合供热系统的研究重点在评价体系及运行策略上。为优化耦合供热系统的运行策略，借助大兴国际机场三热源耦合供热系统的运行数据，对耦合供热运行策略进行不断的优化，寻找出最佳运行策略。
1 系统介绍
1.1 多热源耦合供热系统整体介绍
大兴国际机场能源站内有多台烟气余热热泵、地源热泵及燃气锅炉市政板式换热器，这三类热源在并联后为用户提供供热服务。该耦合供热模式是采用气电耦合的供热模式。该能源站各热源关系如图1所示。
图1 三热源耦合供热系统示意图
多类热源并联供热使耦合供热系统更加灵活可靠。在此类耦合供热系统中，各热源之间的解耦、热源的使用顺序及耦合供热系统的整体评价方式，都是此耦合供热系统的难点。
1.2 三类热源介绍
1.2.1 燃气锅炉
燃气锅炉产生的热量通过板式换热器引入能源站，成为该能源站的一种稳定、可调节性强的热源。该热源主要作为补充热源，因热量为燃气锅炉产生，在运行调节上受到燃气锅炉供水温度的影响，并且在分析评估上，该能源站的能耗与燃气锅炉所消耗能耗的划分界面不清楚。
1.2.2 烟气余热热泵
烟气余热热泵是利用烟气热泵机组将随着锅炉烟气排入大气的废热进行回收并转移至低温水上，作为三热源耦合供热系统的热源之一。该能源站站内烟气热泵主要是将喷淋水中热量通过逆卡洛循环转移到低温水上，喷淋水中热量为水在喷淋塔处直接与烟气接触换热获得。
烟气余热利用热泵充分利用了燃气锅炉产生的烟气中的废热，同时受燃气锅炉负荷的影响，其必须在烟气废热热量达到一定量才能启动热泵机组。
1.2.3 地源热泵
地源热泵是利用地源热泵机组将地埋管收集起来的地下热量转移至低温水上，作为低温水热源。大兴机场内该能源站地源热泵机组主要将地源侧水中热量通过逆卡洛循环转移到低温水上，地源侧水中的热量是地埋管深入120m时与周围土壤换热所得。如何保证地源热泵站冬夏季地埋侧取放热量的平衡，确保浅层地热资源的可持续使用是运行中需要考虑的关键性问题。
2 运行策略管理
2.1 设计策略
设计供热运行策略以地源热泵作为基础热源，以烟气余热利用热泵及市政热力作为调峰热源。即优先使用地源热泵，其次使用烟气热泵与市政热力作为补充。考虑热泵机组的运行费用较燃气锅炉低，且烟气热泵如不开启，则烟气尾部热量散失。三类热源的使用顺序为地源热泵＞烟气余热利用热泵＞燃气锅炉。
2.2 实际运行策略
在实际运行过程中，结合两类热泵机组的设计COP值及峰谷平尖电价的情况，在满足可再生能源利用率的前提下，尽可能提高系统的整体效率及经济性。
按设计参数进行计算，单独使用任何单一热源时，单位GJ热量所需的成本变化如图2所示。
图2 三热源耦合供热理论成本计算
实际运行策略为供热初期、末期的电价平段与谷段使用地源热泵机组；供热中期的电价平段与谷段使用烟气余热利用热泵；供热期间的电价峰段使用燃气锅炉提供的热量。初期、中期、末期的划分按可再生能源的使用量进行划分，确保可再生能源利用率提升。
2.3 实际运行中的策略优化
结合实际运行策略，在2020～2021年供热季进行试验验证。分别对比三类设备单独供热时的单位GJ热量所需成本情况如图3所示。
图3 实际运行中每日运行成本对比
根据图3中参数，实际运行策略中，根据实际运行数据显示，峰谷平尖电价错峰运行49元/GJ较单一热源成本最低的全天使用烟气热泵56元/GJ要低12.5%。但是各类设备单位GJ热量所需成本较理论计算数值有所下降，主要受设备变频的影响。仅对比水泵的理论计算电耗与实际运行中的电耗进行对比，设备变频降低了60%左右的电耗。
综上，根据电价及设备效率制定的三热源耦合运行策略，通过试验数据验证，有效地降低12.5%的运行能耗成本，同时也可保障可再生能源利用率。在多热源耦合供热系统中有一定的参考意义。同时，变频设备可大幅降低生产能耗，对于节能降耗有较大助力。
3 结语
结合大兴国际机场供热系统的建设设计情况，利用理论计算及试验验证对耦合系统的运行策略进行综合确定。在电与天然气两类热源之间，可根据一天内电价变化，调整不同时间段使用的设备，可大幅降低运行成本。以本文中的供热系统为模型，试验验证可降低12.5%的运行能耗成本。
根据电价及设备效率制定的三热源耦合运行策略，通过试验数据验证，切实有效地降低了生产成本，同时也可保障可再生能源利用率。在多热源耦合供热系统中有一定的参考意义。同时变频设备可大幅降低生产能耗，对于节能降耗有较大助力。
