西北地区带辅助热源的中深层地源热泵供暖系统设计负荷配比分析

杜赛赛,张 勇,刘 轩,薛 函,张学弟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

中国地热资源丰富，0～3 km深度区间我国的地热能量在5 000～50 000亿t标煤[1]。在“碳达峰”、“碳中和”行动目标背景下，地热能作为21世纪能源开发战略中重要的可再生能源之一，具有绿色、低碳、可循环利用等特点[2-4]。

中深层地热能相较于传统的浅层地热能，热流密度大、出水温度高，具有较大的开发利用潜力，先后有众多学者针对其开展研究[5-8]。但是利用中深层地热能供暖，初投资较高。为提高经济性及合理性，通常以中深层地热能为基础热源，其他辅助热源作为调峰，因此中深层供暖设计负荷配比的确定至关重要。选择陕西省西安市的某办公建筑为研究对象，分析不同设计负荷比时中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统的运行能耗、经济性及其所引起的环境污染物排放情况，探索西北半干旱气候下地热能与燃气锅炉耦合供暖系统的合理构建，为西北地区地热能的合理利用提供借鉴。

1 工程概况

西安市位于陕西省关中平原，属于寒冷地区，海拔397.5 m，全年平均温度13.7 ℃，冬季供暖室外计算温度为-3.4 ℃，供暖期共121 d/a。以西安市2座典型6层办公楼(供暖面积21 792 m2)及20万m2办公建筑群为研究对象进行分析，建筑的外墙、外窗、外门和屋面的传热系数分别为0.483、2.5、2.5、0.435 W/(m2·K)。

2 主要技术参数计算方法

2.1 动态负荷计算

准确的负荷预测是建筑的供暖系统优化设计的基础。通常，设计热负荷按照最不利即最冷时的热负荷选取，以保证系统的有效运行。但实际热负荷是随着室外环境参数的变化而逐渐变化的，大多数情况的热负荷低于设计热负荷，因此，动态模拟建筑物的负荷变化情况对供暖方案设计具有重要的意义[9-10]。采用传统负荷计算方法及华电源HDY-SMAD负荷软件动态模拟，分别计算该办公楼的热负荷，对比分析得出建筑的年耗热量。

2.2 运行能耗计算

考虑热源能耗为供暖系统的主要能耗，将热源能耗作为供暖系统运行能耗。

设供暖系统每年向热用户提供的热量为Q(kJ/a)。中深层地热能系统主要耗能为电，燃气锅炉系统主要耗能为天然气，计算方法如下：

(1) 中深层地热能耗电量

(1)

上式中：E为中深层地热能系统的耗电量，kJ/a；COP为中深层地热能系统的性能系数，取5.0。

(2) 燃气锅炉的天然气耗量

(2)

上式中：F为燃气锅炉的天然气耗量，(Nm3)/a；q为天然气的低位发热量，kJ/Nm3，取33 240 kJ/Nm3；η为燃气锅炉效率，取90%。

为方便比较中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统各方案的能耗，将电力、天然气统一折算成标准煤。电力的折算系数为0.404 kg/kWh，天然气的折算系数是1.214 kg/ Nm3[11]。

3 计算结果分析

3.1 动态负荷计算

针对陕西省西安市的某典型6层办公楼(供暖面积10 896 m2)，采用传统负荷计算方法及华电源软件动态模拟法分别计算该办公楼的热负荷，用传统方法计算得该办公楼的设计热负荷为1 215 kW，华电源动态计算得供暖季逐时热负荷变化情况如图1所示，热负荷频率分布如图2所示。由图可知，供暖季热负荷为逐时波动，不断变化的；负荷区间0～200 kW出现的总小时数为1 855 h，而负荷区间1 200～1 300 kW出现的小时数仅为15 h，即设计热负荷所占时间较短，供暖季热负荷大多远小于设计负荷，因此采用动态热负荷计算供暖季耗热量，进而计算各种供暖方案的燃料耗量。假设办公建筑的人员活动时间为8:00-20:00，则计算办公建筑全年耗热量时仅计算8:00-20:00时段。6层办公楼的全年耗热量为2 965.2 GJ，20万m2办公建筑群的全年耗热量为2 5941.8 GJ。

3.2 方案比较

针对陕西省西安市的2座典型6层办公楼(供暖面积21 792 m2，设计负荷2 430 kW，全年耗热量为5 930.4 GJ)，及办公建筑群(供暖面积20万m2，设计负荷12 000 kW，全年耗热量为25 941.8 GJ)采用中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统，中深层地热能为主要供暖热源，燃气锅炉为辅助或调峰热源。采用无干扰(同轴套管)地热取热技术，单井取热量为400 kW，结合办公建筑实际负荷，分别对中深层地热能承担设计负荷比为0、17%、33%、50%、67%、83%、100%这7种情况时系统的耗电量、耗气量及折算标准煤耗量，各燃料耗量变化趋势如图3、4所示。

由图3、4可知， 2座6层办公楼仅用燃气锅炉供暖时，一个供暖季标煤耗量为152.27 t，仅用中深层地热能供暖时，一个供暖季标煤耗量为107.50 t ，比燃气锅炉节省的标煤占比约为29.40%；20万m2办公建筑群仅用燃气锅炉供暖时，一个供暖季标煤耗量为1 057.86 t，仅用中深层地热能供暖时，一个供暖季标煤耗量为582.16 t，比燃气锅炉节省的标煤占比约为44.97%，即中深层地热能比燃气锅炉更加节能，且建筑规模越大，节能节省标煤占比越大。

随着中深层地热能承担设计负荷比的增加，耗电量逐渐增加，在设计负荷比增至0.5后变化逐渐趋于平缓；同样，天然气耗量随着中深层地热能承担设计负荷比的增加而逐渐减小，增至0.5后天然气耗量变化趋于平缓。将其折算成标准煤耗量，可得标煤耗量随中深层地热能承担设计负荷比的增加而逐渐减小，且在增至0.5后天然气耗量变化趋于平缓。

综合分析，对于办公建筑，中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统中，各自承担设计负荷比为50%是可以接受的。此时，2座6层办公楼标煤耗量为117.48 t，相对于纯燃气锅炉系统能耗节省了22.85%，而相对于能耗最小的纯中深层地热能系统仅增加了9.28%；20万m2办公建筑群标煤耗量为619.50 t，相对于纯燃气锅炉系统能耗节省了41.44%，而相对于能耗最小的纯中深层地热能系统仅增加了6.41%。

3.3 经济性分析

根据西安市市场调研及以往工程的投资费用估算，每口中深层地热能井对应的初投资约为300万元；1吨燃气锅炉的初投资约30万元。为简化计算，对中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统的初投资按各系统承担的负荷比加权计算。西安市的能源价格为电价0.50元/kWh；天然气2.2元/Nm3，办公建筑供暖收费：7.5元/m2。

针对上述2座6层办公楼及20万m2办公建筑群，采用不同负荷配比的中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统，计算初投资、运行费用，采用投资内部收益率、财务净现值及动态投资回收期财务指标评价各方案经济可行性，根据《建设项目经济评价方法与参数》(第三版)基准收益率取6%，计算期21 a，其中建设期1 a，运行期20 a。当投资内部收益率大于6%，财务净现值大于0；动态投资回收期较短时，表明方案具有一定的盈利能力，财务评价可行。不同能源配比经济性计算结果见表1～2。由表1、2可得，中深层地热能系统占比越高，项目前期建设投资越大，年运行所消耗的天然气等成本越低，经济效益指标越差。

表1 2座6层办公楼经济性分析

表2 20万m2办公建筑群经济性分析

对于2座6层办公楼，当中深层地热能承担设计负荷比大于等于33%时，投资内部收益率小于6%，财务净现值为负值，动态投资回收期大于20 a，方案在经济上不可行。对于20万m2办公建筑群，当中深层地热能承担设计负荷比大于等于67%时，投资内部收益率小于6%，财务净现值为负值，动态投资回收期大于20 a，方案在经济上不可行。

综合对比分析，当办公建筑规模较小(2座6层办公楼)时，不宜采用中深层地热能系统，当办公建筑规模较大(20万m2办公建筑群)时，适宜采用中深层地热能系统，且中深层地热能承担设计负荷比为50%时是可接受的，此时的投资内部收益率为7.57%，财务净现值为568.35万元，动态投资回收期为17.19 a。

3.4 环境效益分析

针对20万m2办公建筑群，采用不同设计负荷配比的中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统时，每年的CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量如图5所示[12]。由图可得，中深层地热能承担设计负荷比为0时，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量为最大值，分别为：2 172 t、2 735 kg、1 101 kg、920 kg，随着中深层地热能承担设计负荷比的增加，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量均逐渐减少，且在设计负荷比增至0.5后变化逐渐平缓。

从燃料耗量和引起的污染物排放情况分析，中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统中，各自承担设计负荷比为50%是可接受的，此时CO2、SO2、NOX及PM2.5年减排量分别为：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。

4 结 论

以上针对陕西省西安市的某典型办公建筑，分析了中深层地热能系统、燃气锅炉系统的供暖运行能耗、经济性分析及其所引起的环境污染物排放情况，具体结论如下：

(1) 对于办公建筑，用传统方法计算得到的设计热负荷值在全年出现的时间较短，供暖季热负荷大多为部分负荷，计算供暖季耗热量时应采用动态逐时负荷。

(2) 中深层地热能供暖系统比燃气锅炉更节能，且建筑规模越大，节能节省标煤占比越大，2座6层办公楼仅用中深层地热能供暖时，一个供暖季标煤耗量比仅用燃气锅炉节省约29.40%；20万m2办公建筑群仅用中深层地热能供暖时，一个供暖季标煤耗量比仅用燃气锅炉节省约44.97%。

(3) 当办公建筑规模较小时(2座6层办公楼)，不宜采用中深层地热能系统，当办公建筑规模较大时(20万m2办公建筑群)，适宜采用中深层地热能系统，综合考虑能耗、经济、环保等因素，中深层地热能承担设计负荷比为50%时是可接受的。

(4) 对于20万m2办公建筑群分别从燃料耗量和引起的污染物排放情况分析，中深层地热能和燃气锅炉联合供暖系统中，各自承担设计负荷比为50%是可接受的，此时系统标煤耗量相对于纯燃气锅炉系统能耗节省了41.44%，而相对于能耗最小的纯中深层地热能系统增加了6.41%；投资内部收益率为7.57%，财务净现值为568.35万元，动态投资回收期/为17.19 a；CO2、SO2、NOX及PM2.5年减排量分别为：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。