中深层地热+多能互补供热系统在冀南某大学的应用研究

2024-01-10牛国庆鲍玲玲刘俊青郭海明

河北工程大学学报(自然科学版) 2023年4期

牛国庆,许超,鲍玲玲*,刘俊青,郭海明,刘伟

(1.河北工程大学能源与环境工程学院,河北邯郸 056038;2.河北省暖通空调工程技术创新中心,河北邯郸 056038;3.中国煤炭地质总局水文地质局,河北邯郸 056004;4.河北省科学院能源研究所,河北石家庄 050081)

目前,我国以燃煤和燃气锅炉为主的供热形式,存在能源高质低用,季节峰谷问题突出,供能形式单一,碳排放量大等问题[1]。寻求一种既能满足不断变化的能源供应结构和用户需求,又能促进能源系统资源高效利用、低碳、环保、经济的多能源互补分布式能源系统,已成为未来能源发展的主要方向[2]。因地制宜地利用当地的可再生能源,提高清洁能源占比的供能方式已成为缓解能源与环境问题的必由趋势[3]。建筑作为终端能源消费的重要载体,其能耗是全社会能耗的重要组成部分[4]。冬季供暖和生产热水是建筑能源需求中最重要的能源消耗[5]。可再生能源的利用和开发是建筑行业节能和减少碳排放的关键[6]。然而,可再生能源具有间歇性和不稳定的性质。将可再生能源的绿色性与常规能源的稳定性相结合是解决这一问题的有效方法[7]。煤炭、天然气等能源碳排放量较高、储量有限;太阳能、风能等可再生能源对环境友好,但受环境影响较大;地热能作为可再生能源具有储量丰富且不受天气影响的优势,采用地热能与其他能源联合供暖方式,利用多能互补的运行策略,改善能源供给侧与需求侧在时间空间不均问题,提高能源利用率[8]。Ma等[9]对多能源互补供暖系统的研究结果表明:与传统的集中供暖系统相比,其节能率约为30%。

在地热条件良好的地区,因地制宜采用地热能+多能互补的供暖模式,既可减少长距离输送过程中的能源损耗与输送设施投资,实现能源的就地生产与使用,又可减少煤炭等化石能源的消耗,减少碳排放。本文以冀南地区某大学中深层地热+多能互补联合供热工程为例,介绍其工程概况、总体规划与实施方案,并评估其经济环境效益,以期为多能互补综合供暖系统研究提供参考。

1 项目概况

该项目为大学校区供热工程,建设有3个能源站,其中1号能源站采用燃气锅炉供热,3号能源站采用中深层U型地热井技术,配以燃气锅炉为补充,4号能源站利用浅层地热冬季供暖夏季制冷。生活热水系统供应洗浴用水量约410 t/d,采用太阳能+污水源+燃气锅炉供应,满足4个学生社区洗浴热水需求。总投资约1.2亿,2019年9月全部投入运行,项目计划运营20年。

2 供热方案

2.1 能源设计

该大学校区占地面积较大,建筑体分区集中,位于安阳—邯郸断裂东盘,本区地热田属于典型的沉积盆地型,第四系覆盖层下发育有中上元古界岩溶裂隙热储,古近系东营—沙河街裂隙热储,寒武—奥陶系岩溶裂隙热储,新近系明化镇—馆陶组热储等热储层[10]。地热条件较好,中深层地热较浅层地热温度更高、单井取热量更大、占地面积更小,在负荷较大、面积有限的供暖区以采用中深层地热“取热不取水”的技术为主,其他能源作为补充,是一种高效环保的供暖方式;学校图书馆周边面积较大,可大量埋设浅层地埋管利用浅层地热对周边建筑进行清洁供暖;最后利用燃气锅炉对剩余建筑区进行供暖补充。此外,学校师生3万余人,洗浴用水量大,洗浴污水中存在大量低品位余热,利用污水源热泵进行余热回收利用,与太阳能互为补充,以燃气锅炉作为备用热源供应热水。具体供热负荷及能源方案如表1。

表1 供热负荷及能源方案Tab.1 Heating load and energy program

2.2 能源站建设

根据总体规划、分布式实施,按照资源高效利用、低碳、经济原则分区设计建造能源站,因地制宜利用地热能、太阳能等可再生能源,以天然气和洗浴污水余热为补充。如图1所示,各能源站分布式实施,互联互通,形成有机联动、互为补充、相互保障的合理布局。每个社区或学院均采用同程设计,保证水路水力平衡,防止供热死角。

图1 能源站分布图Fig.1 Energy station distribution diagram

2.2.1 1号能源站

该能源站供暖包括学生公寓、食堂、体育馆、学院楼等建筑,设计日峰值热负荷14 MW。该供暖区位于学校西北,建筑较为密集,采用5台2.8 MW真空燃气锅炉进行供暖,该锅炉采用全预混完全冷凝技术与羽翼式换热管,能明显提升换热管性能,比传统真空锅炉节能20%以上。

2.2.2 3号能源站

该能源站设计日峰值热负荷为14 310 kW,根据建筑使用性质分为三个环路:教学楼环路、学生公寓环路和学生食堂环路。以中深层地源热泵系统为主要热源、以燃气锅炉系统为辅助或备用热源,采用一对中深层地热U型闭式地热井,该地热井较同轴套管式换热器单井热提取能力更强。钻井时埋入分布式光纤对地层温度进行监测,测得1-1井井下2 000 m处温度为67.8 ℃,2 125 m处温度超过70 ℃,2 450 m处温度可达78.3 ℃以上,地热条件良好。

本系统设计了两台高温热泵机组(制热量均6 MW),该系统在设计施工时,将蒸发器和冷凝器分别并联连接,以便在低温负荷下任一台机组均可单独运行。另设计两台4.2 MW燃气锅炉(供热量8.4 MW)作为补充热源,预留两台4.2 MW燃气锅炉的位置。换热系统运行时,低温取热流体从注入井注入埋管换热器,在管内与地下热储层换热后变为高温流体从采出井流出,进入板式换热器进行第一次热交换,再经过高温热泵机组二次换热使水温提升至设定温度后供给到采暖用户,若供热量或供水温度不能满足供暖需求时,利用燃气锅炉作为补充热源,保证供暖稳定。3号能源站换热系统原理见图2。

图2 换热系统原理图Fig.2 Schematic diagram of heat exchange system

2.2.3 4号能源站

此能源站冬季日峰值热负荷为15 834 kW,夏季最高冷负荷达到19 979 kW。供暖建筑为行政楼、校图书馆、教学楼等。机房内配备有5台4 200 kW离心式热泵机组,另配有5座冷却塔,夏季可用于承担部分冷负荷[11],保证夏季制冷量,各热泵机组冷却塔互为备用。

根据《地源热泵系统工程技术规范》[12]和文献[13]推荐方法,制冷工况下,地埋管钻孔长度为

(1)

(2)

供热工况下,地埋管钻孔长度为

(3)

(4)

式中:下标c,h分别表示制冷/供热工况;L—所需钻孔总长度,m;Q—热泵机组的额定负荷,kW;EER/COP—制冷/供热性能系数;tmax/tmin—制冷/制热工况下,地埋管换热器中流体的设计平均温度,℃;t∞—岩土体初始温度,℃;F—制冷/供热运行系数;Rf,Rpe,Rb,Rs,Rsp—分别为管内对流换热热阻,管壁热阻,回填材料热阻,地层热阻,附加热阻,m·K/W。

综合地质条件及经济性选用双U型De25管,深度130 m,地埋侧换热孔数为3 300眼,另配备2套冷却塔,下入测温光纤,监测地温变化情况,为智慧节能控制系统提供基础参数。

2.3 热水供应系统

学校共有4个学生公寓社区,每个社区设有一座浴室,洗浴热水热源为太阳能+污水源+燃气(备用),其中把浴室洗浴污水作为污水源热泵的热源进行余热利用,浴室淋浴设计温度为40 ℃,热水箱设计水温为42 ℃,日均用水约410 t,开放时间为每天15:00至22:00,可满足3万师生的洗浴热水需求。

下面以一社区浴室为例,太阳能集热板布置在楼顶,面积约为514.6 m2,太阳能集热水箱有效容积为20 m3,安置在3楼的热水箱间内;配套2座恒温水箱,有效容积为40 m3,同样集中设置于3楼。太阳能集热水箱设计终止温度为40 ℃;采用强制循环系统,配备两台功率为5.5 kW,流量为40 m3/h的循环水泵用以定温循环;污水源热泵机组设计制热量为320 kW,功率为66.2 kW,配置1个污水池蓄存污水,有效容积为60 m3,污水池的平均温度为26.3 ℃,排出污水的平均温度为19.6 ℃;燃气锅炉额定热水产量为60 m3/h,安置于一楼锅炉房内,采用变频设备供应热水[14]。系统原理见图3。

图3 供热系统原理图Fig.3 Schematic diagram of the heating system

一方面,污水池中的洗浴污水经过过滤器过滤掉毛发等杂物后进入板式换热器,利用污水余热对自来水进行余热后进入污水源热泵蒸发器,经压缩机做功将污水余量传给预热后的自来水,使其升温到设定温度;另一方面,太阳能集热器利用太阳能加热自来水至设定温度,承担部分热水供应,当太阳能日辐照量不足以供给足够热水时,燃气锅炉作为热源补充,保证洗浴热水足量稳定供应。

2.4 能源管理系统

利用智慧能源管理系统,通过现场采集、云服务平台、监测平台(图4),实现自动化远程监控,手机App即可远程操纵,随时可了解系统运行状况及故障报警。以末端负荷、冷热源、输入功率的合理匹配,实现热泵系统的动态控制与管理,提高热泵系统的整体能效,达到系统节能的总体目标。

图4 系统监测平台Fig.4 System monitoring platform

3 系统运行测试

3.1 中深层地热+燃气系统

本供暖系统接入智慧能源系统,对系统各环节运行进行实时监测,这里选取3号能源站2021年2月系统运行监测数据进行分析,选取供暖中期数据分析,此时系统较为稳定。图5为地热井进出水温度与进出水温差随时间变化图,可以看出系统运行期间,地热井进口水温稳定在12.2 ℃左右,出水温度维持在20.9 ℃附近,地热井进出水温差最高9 ℃,最低8.4 ℃,平均温差8.7 ℃,进水温度稳定但出水温度和进出水温差随时间推移呈现下降趋势,这是因为经过近两个月的取热,井下温度不能及时恢复,会出现逐渐衰减的趋势,导致取热温差减小,出水温度降低,供暖期间依据用热负荷采取间歇运行策略可有效改善温度衰减状况,另外中深层地热相较浅层地热热储温度更高,热恢复性更好,经过近8个月的非采暖期自然恢复,热储易恢复至较为理想状态。

图5 进出口温度与进出口温差随时间变化图Fig.5 Time-dependent diagram of inlet and outlet temperature and temperature difference

图6 为地热井换热量与系统COP随时间变化图,可以看出,随着供暖时间增加,地热井换热量呈现下降趋势,这是因为井下热储温度衰减,储层侧与埋管侧温差逐渐减小,致使取热量逐渐减小。此时间段内系统COP最低为3.2,最高达到4,虽有波动但平均值仍为3.5,性能良好。

图6 地热井换热量与系统COP随时间变化图Fig.6 Time-dependent diagram of heat transfer in geothermal well and COP of the system

3.2 浅层地热系统

4号能源站运行数据如图7所示,系统冬季运行时,此时间段内地源侧供水温度为10.7～13.1 ℃,平均温度为12.1 ℃,回水温度为8.3～10.6 ℃,平均温度为9.1 ℃;用户侧供水温度为41.1～42 ℃,平均稳定在41.8 ℃,回水温度为36.5～39.4 ℃,平均温度为37.4 ℃。可以看出,地源侧供回水温差在3 ℃左右,用户侧供回水温差基本稳定在3.9 ℃。前期用户侧供回水温度呈现上升趋势,地源侧供回水温度有下降趋势,这是因为采暖季前期地上环境温度随季节加深逐渐降低,需提高地埋管供水温度获取更多热量满足供暖要求,随着取热时间及取热量增加,地下热储层温度恢复能力有限,温度逐渐降低进而取热量减少,导致地埋管出口温度降低。经数据统计分析,该系统经过夏季制冷冬季供暖运行后,冷热不平衡差4.3%,基本平衡,效果良好。

图7 冬季运行供、回水温度Fig.7 Operating water supply and return water temperature in winter

3.3 太阳能+污水源+燃气系统

该系统于2020年至2021年对污水源热泵系统和太阳能集热系统进行现场测试,图8为2020年10月2日到2020年10月27日污水源热泵机组COP与系统COP,测试与计算结果表明,系统COP平均在3.6,污水源热泵机组COP平均在4.8。当太阳能日辐照量φ≥18 MJ/(m2·d)时,太阳能集热系统单独运行即可满足热水供应;当太阳能日辐照量8 MJ/(m2·d)≤φ<18 MJ/(m2·d)时,需开启污水源热泵配合太阳能集热系统进行供热;当太阳能日辐照量φ≤8 MJ/(m2·d)时,需采用太阳能集热系统+污水源热泵再以燃气锅炉为补充才能供应足量的洗浴用水。

图8 日平均COP变化图Fig.8 Daily average COP variation chart

4 经济环境效益

4.1 经济性分析

根据本系统实际供暖情况,计算统计一个供暖季的采暖费用,包括运行费用和平均运营成本,折合成每平米费用如表2,其中4号能源站为供暖制冷总费用,可以看出在不考虑初投资的情况下,3号能源站采用的中深层地热+燃气锅炉供热的形式相较传统燃气锅炉供热每平米费用节省约20.95%,一个供暖季可节约88.3万元费用;采用浅层地热形式不仅可用于冬季供暖夏季也可用于制冷,供暖和制冷的总费用相较燃气锅炉每平米供暖费用仍可节省0.68%。

表2 供暖经济性分析Tab.2 Economic analysis of heating

四个浴室设备按日耗电量1 200 kW·h计算,电费取0.5元/kW·h,每学年系统运行费用约为16.2万元,如果采用燃气锅炉制备热水,锅炉热效率按90%计算,每学年需要天然气111 104 Nm3,天然气价格取3元/Nm3,年运行费用约为33.3万元,采用太阳能+污水余热制备热水,理想状态下,每年可节省17.1万元费用。由此可见,采用多能互补的供热形式经济效益显著。

4.2 环境效益分析

相较传统燃煤或燃气锅炉供暖,采用中深层地热+多能互补形式供热,以可再生能源为主,一次能源为辅,并对污水余热进行回收利用,在负荷集中区就近建设能源站,节能减排的同时减少了长距离输送设施投资与热量损耗。

浴室原设计采用空气源热泵+燃气锅炉方式供热,每制备1 t热水需耗能折合标准煤5.47 kg,利用太阳能+污水源热泵+燃气锅炉的方案,只需耗能折合标准煤2.11 kg,每吨节约标准煤3.36 kg。各能源站节能结果如表3,可以得到本项目总年节省标准煤20 860 t。进一步计算减排效益如表4,可得年减排二氧化碳54 650 t,减排硫化物175 t,减排氮氧化物154 t,减排废渣约210 t,环境效益显著。