梧桐雅苑项目多能耦合分布式能源供热技术研究应用

2023-12-25许军强刘振波刘伟中电洲际环保科技发展有限公司华清安泰能源股份有限公司

节能与环保 2023年10期

关键词：热网热力源热泵

许军强刘振波刘伟中电洲际环保科技发展有限公司华清安泰能源股份有限公司

1 项目概况

梧桐雅苑项目位于邯郸市复兴区，总建筑面积389059m2，供暖面积296524m2。项目于2019 年开工建设，2022 年年底交付入住。

建筑采用地板采暖系统，住宅30W/m2热负荷，商业45W/m2热负荷。项目总供暖负荷8146kW，其中1～16 层为低区，热负荷4710 kW；17 层及以上为高区，热负荷3436kW。

2.能源状况

项目所在地集中热网还没敷设到位，且市政热网已经存在供热能力不足情况，采用集中供热存在小区建成后管网不能接入和供热不达标的风险。

依据《邯郸市冬季清洁取暖专项规划（2018—2020 年）》，结合项目需求，以及邯郸地区燃气、空气能、太阳能、地热能等清洁能源资源情况，从技术和经济、节能角度分别加以分析，选择适宜本项目的清洁能源供暖方式。

2.1 燃气

邯郸地区主要存在供气量不稳定和用热成本高两方面问题。经测算，在当地气价情况下，燃气采暖费用约在30～35 元/m2，远高于当地18.9 元/m2的供热收费标准，经济性不可行。

2.2 太阳能

太阳能光热在热水制取方面，应用广泛、技术成熟。由于供暖用热需求量大，光热采暖需要大量的屋顶资源，同时需要配置应急热源解决连续阴天天气，光热技术难以满足大规模住宅供暖需求。

2.3 电储能

电储能技术可以用于在电网低负荷时储能，在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，同时降低用能费用。不考虑电力增容的问题，电蓄热投资约80～100 元/m2，运营费用25～30 元/m2，高于当地采暖收费标准，经济方面不可行。

2.4 空气能

空气作为热泵的低位热源，使用便利、成熟，属于可再生能源，目前的产品包括常规空气源模块机、能源塔热泵机组等。

2.4.1 常规空气能热泵

空气源热泵的综合能效比在2.0～2.5 之间，同样电价下运行费用相对直接电采暖节约60%以上。经测算，投资费用70～80 元/m2，在居民峰谷电价下电耗费12～15 元/m2，经济方面可行。空气源热泵低温下连续运行，效率、噪音、供热稳定性制约其在城市中大规模发展。

2.4.2 能源塔热泵

能源塔热泵是通过能源塔与空气的热交换和热泵机组作用，实现供暖、制冷以及提供热水的技术。冬天它利用低于冰点载体介质，高效提取冰点以下的湿球水热能。能源塔在夏热冬冷、在湿球温度-20℃以上的地区可安全可靠运行，整个冬季机组的性能系数COP 可在3.0～3.5 范围。经测算，采用能源塔投资在70～80 元/m2，在居民电价下能耗费用在10～12 元/m2之间，经济方面可行。

2.5 地热能

供暖上应用较多的地热能种类有浅层地温能和中深层地热能。浅层地温能赋存于地表以下200m 以浅范围内岩土体和水中，深层地热资源赋存于200m 以下大于25℃的地下水或岩体中。地热资源具有很强的地域性，调研邯郸主城区情况如下。

2.5.1 深层地热能

邯郸地区地热资源主要润含在以砂岩、灰岩为主的第三系中，出水量约在40m³/h，水温40℃上下，且回灌困难。早期不合理开发利用造成地下水污染浪费，政府已严格管控地热开采，并采取关停措施。

2.5.2 浅层地热能

邯郸地区第四系地层以粘土和砂层为主，200m 以内土壤平均温度大约16～17℃，比较适合做浅层地源热泵。经测算住宅采暖项目，地源热泵投资大约在150 元/m2，运行电费大约在10 元/m2，经济可行。技术方面主要是要解决打井场地和冷热平衡问题。

3 能源方案

能源塔热泵和地源热泵是相对适用于城区较大规模项目的清洁供暖技术，两项技术各有优缺点，通过因地制宜的合理配置、有机组合，实现优势互补，可以有效解决供热问题。

同时可以考虑预留集中供热接入条件，实现浅层地热能+空气源+集中热力调峰的多能耦合方案，通过分期建设实现技术可行、经济合理、安全可靠、绿色低碳。

3.1 地热能+能源塔耦合方案

该方案结合高低区需求，分别配置了地源热泵、能源塔热泵机组，循环泵、真空脱气机、定压补水装置等设备，同时配置了补热板换，非采暖季利用能源塔对地下补热，解决地温场平衡问题。

地源热泵配置占总负荷52%，能源塔热泵占总负荷59%，预留11%安全余量。运行中，夜间以地源热泵承担基础负责，不足时开启能源塔热泵。同时结合地温场监测、热泵能效监测系统，分析地源和能源塔系统运行能效，选择高效优先的运行模式。

综合测算建安工程费，勘察设计费、监理费、建设管理费等二类费，项目投资2911万元，约98 元/m2。开发商承担70 元/m2的建设费用，超出部分投资由热力公司承担。

不考虑公司管理成本，项目能耗、管理和维修年运营费用约13.5 元/m2/a。

采暖入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。收费方面，按照首年开发商100%缴费，之后按照入住情况居民缴费。静态投资回收期7a，内部收益率13.4%，整体收益较好。

3.2 地热能+能源塔+市政热力耦合方案

三种能源互补方式下，地源热泵配置占比38%、能源塔配置占比29%、市政热力配置占比40%。运行时优先利用可再生能源，不足时市政热力调峰，可再生能源运行比例可以达到80%以上。鉴于热力从电厂购入价格因素，也可在初、末寒期优先使用市政热力，严寒期热力供应高峰时优先使用分布式能源，实现大网和分布式灵活调配。

综合测算建安工程费、管理费等，项目投资2650 万元，约88 元/m2。其中开发商承担70 元/m2的建设费用，超出投资由热力公司承担。综合能耗、管理费、维修费年运营费用约13 元/m2/a。同样入住率、收费率情况下，静态投资回收期4.6a，内部收益率22%。

3.3 方案对比分析

采用地源热泵+能源塔热泵+市政热网三种能源互补方式，技术经济性优于地源热泵+能源塔热泵二种能源互补方式，且提高了运行安全保障，整体方案最优。

此方案风险点是市政热网接入时间，为避免出现热力不能接入影响供能问题，系统预留了能源塔热泵位置、电量和管路接口。结合小区入住率情况，在2023 年热网不能接入影响供能安全时，可及时安装预留能源塔热泵机组。

本项目容积率高，没有公共绿地可以布置地埋管，经论证采用基础下地源热泵埋管方式，同时采用能源塔热泵、市政热力耦合供热技术，技术还是具有一定领先性。数字化智慧能能源管理技术在本项目中发挥重要作用，根据热泵能效监测系统，通过自控逻辑判断始终选择高效运行模式；同时对热泵和大网供热进行模式判断，选择经济运行模式；系统设置了安全预警模式，在监测地下温度场偏低时，及时切换运行模式保证运行安全；在过渡季监测地温场恢复情况，适时启动补热措施，保证长期安全稳定运行。

项目采用可再生能源和余热供暖，相对燃气供暖，年节煤1420tce，年减排3500t 二氧化碳，环保效益非常可观。

4 建设方案

鉴于项目技术先进性、复杂性，对设计、施工、运营要求高，常规的专项承包模式难以适应本分布式能源项目。经论证采用EPC总承包模式，选择具有丰富设计、施工、集成经验的单位来实施。通过EPC 总承包合同控制总投资、质量、安全、进度标准，规避建设风险。

地源换热井全部布置在建筑车库底板下，地源井的布置和施工与结构关系密切，经精心组织、优化论证，解决了多项关键问题，确保了施工质量。

4.1 管道穿底板防水问题

基础底板面积大，多处地源干管需要穿底板进入地下车库然后汇集到机房内。该区域地下水位高，水平管位于承压水位下。为此采用了加强柔性防水套管，经试验检测套管和PE 管之间承压能力在6kg 以上确保套管内部不漏水。底板垫层防水层和套管翼环融为一体，套管底部位于垫层以下30cm，套管顶部位于底板地面以上10cm，确保底部、外壁不渗水。

4.2 解决基础扰动问题

基坑土方开挖时预留1m 覆土，钻机设备在预留1m 覆土层进行钻井作业。钻井完成后开挖并清理预留1m 覆土，并连同水平管沟土方一同开挖，避免二次开挖破坏基础底板。管沟回填材料采用细沙至垫层底标高，管底部10cm 辐射细沙，管顶30cm 内采用人工夯实，30cm 以上采用平板振捣器振捣，压实系数达到0.96 以上，以满足基础承载力要求。