復合能源技術(shù)在校園工程實際應(yīng)用

孟慶海

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院， 安徽合肥 230051）

0 引言

十八大以來，五大發(fā)展理念已深入人心。各級黨委、政府高度重視綠色清潔能源的開發(fā)利用，特別是淺層地熱能、中深層地熱能、太陽能等再生能源資源的開發(fā)利用。在2016年12月國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，提出為實現(xiàn)2020年能源發(fā)展戰(zhàn)略目標，加快地熱能開發(fā)利用，推動太陽能多元化利用，推動儲能技術(shù)示范應(yīng)用等。2017年1月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、國土資源部聯(lián)合發(fā)布《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，系統(tǒng)的指導再生能源開發(fā)利用，提出“十三五”時期，新增淺層地熱能供暖（制冷）面積7×108m2，提出城市應(yīng)因地制宜推廣地熱能、太陽能等可再生能源分布式、多能互補應(yīng)用的新型制冷供暖模式。城市中校園以相對獨立的單元存在，校園的建設(shè)投資運營多以財政資金為主，在校園中實現(xiàn)地熱能、太陽能等可再生能源的復合利用，建設(shè)分布式能源站，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟可行，對綠色城市建設(shè)推動再生能源利用極具示范作用，同時也有節(jié)約財政支出的作用。本文以某大專院校復合能源站為例探討研究復合能源技術(shù)在校園工程中的應(yīng)用。

1 復合能源技術(shù)與校園建筑用能特點及原理

1.1 復合能源技術(shù)原理及特點

復合能源技術(shù)是以地源熱泵系統(tǒng)為主，利用太陽能、空氣能等多種能源，結(jié)合儲能技術(shù)，實現(xiàn)多種能源互補，按低成本能源優(yōu)先使用原則，建造成本優(yōu)化組合最低原則，利用智慧運行管理的多能源耦合利用系統(tǒng)。它是地源熱泵技術(shù)、太陽能技術(shù)、空氣能技術(shù)、儲能技術(shù)通過智慧能源管理系統(tǒng)耦合應(yīng)用的綜合體。各項技術(shù)原理與特點如下：

地源熱泵系統(tǒng)以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱制冷空調(diào)系統(tǒng)。其特點：①地源熱泵技術(shù)屬可再生能源利用技術(shù)。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于200m深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為淺層地熱能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低品位熱能，地表淺層收集了47%的太陽能量，它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在，為清潔的可再生能源一種形式。②地源熱泵屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)。其地源熱泵的COP值達到了4以上，也就是說消耗1kWh的能量，用戶可得到4kWh以上的熱量或冷量。③地源熱泵環(huán)境效益顯著。其裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。地源熱泵系統(tǒng)可制冷、供暖，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅等小容積率建筑的采暖和制冷。④地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)維護費用低。地源熱泵的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，從而避免了室外的惡劣氣候，機組緊湊、節(jié)省空間；自動控制程度高，可無人值守。

太陽能是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。校園工程中一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。

空氣能，是指空氣中所蘊含的低品位熱能量，和水能、風能、太陽能、潮汐能等同屬于清潔能源的一種，將空氣能收集利用起來的裝置叫熱泵，被稱為空氣能熱泵技術(shù)，涉及到的領(lǐng)域有空氣能熱泵熱水領(lǐng)域、空氣能熱泵采暖領(lǐng)域、空氣能熱泵烘干領(lǐng)域等。

儲能技術(shù)是指利用夜間低谷負荷電力制冰或冰水或熱水儲存在蓄特定的裝置中，白天將所儲存能量釋放出來，減少電網(wǎng)高峰時段空調(diào)用電負荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機容量，從而避免中央空調(diào)爭用高峰電力。

1.2 校園建筑及用能特點

學校特別是大專以上學校，由于其教學科研實習學校特別是大專以上學校，由于其教學科研實習的特性，校園建筑有幾大特點：建筑種類多，有教學樓、實驗樓、圖書館、儲藏室、辦公樓、體育用房、會議中心、餐飲服務(wù)建筑、學生宿舍樓、住宅樓、工業(yè)廠房等，建筑門類齊全；校園內(nèi)一般都有體育場、校內(nèi)花園和公園綠地建筑，場地空曠；建筑容積率較小。由于教學的特殊性，校園建筑用能也有這樣幾個特點：可預測性，由于學校教學比較有規(guī)律，學校建筑的使用嚴格按教學計劃實施，每棟建筑每個房間何時使用，使用多長時間基本可以固定，所以建筑用能具有可預測性；單體建筑用能使用一致性高，同樣由于教學的特殊性，學生會集中時間上課，集中時間就餐，集中時間在宿舍等，造就了單體建筑使用一致性高，設(shè)計峰值大；間隔性，學生使用學校建筑有一定的間隔性，要么使用教室閱覽室，要么使用宿舍，要么使用食堂；部分建筑使用頻次低，如會議中心，實習工廠、實習教室等。

2 校園復合能源站實例

2.1 工程概況、現(xiàn)狀分析及系統(tǒng)總要求

某職業(yè)技術(shù)學院計劃建設(shè)復合能源站，能源站提供滿足：大學生服務(wù)中心（8000m2）、山水賓館（5000m2）、教學輔樓及科技圖書樓（約20000m2）、 學術(shù)交流中心（約40000m2、二期后建）以及其他已有建筑冬夏兩季的空調(diào)需求；解決大學生服務(wù)中心學生洗浴熱水供應(yīng)問題，滿足總共15000人在校大學生日常洗浴需求；地熱能源站總供暖面積8×108m2以上，能源站要滿足新建建筑供暖制冷及國家節(jié)能環(huán)保綠色建筑需要，并滿足學校相關(guān)專業(yè)學生實訓需求。

2.2 設(shè)計依據(jù)及參數(shù)

2.2.1 設(shè)計依據(jù)的相關(guān)法規(guī)

設(shè)計依據(jù)的主要法規(guī)：

《中華人民共和國節(jié)約能源法》

《中華人民共和國可再生能源法》

《中華人民共和國民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》（第143號部令）

《安徽省民用建筑節(jié)能辦法》（安徽省人民政府令第243號）等。

設(shè)計依據(jù)的相關(guān)規(guī)范：

《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012

《地源熱泵工程系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50366-2009

《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015

《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50364-2005

《通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50243-2016等。

2.2.2 場地的地質(zhì)、氣候條件及設(shè)計參數(shù)

場地的地質(zhì)條件：場地地層0～30m為黏土層下伏白堊紀張橋組砂巖（紅層），據(jù)區(qū)域資料場地北部有斷層，場地內(nèi)施工有兩口水井，井深200m左右，日出水量200m3/d.場地水文地質(zhì)條件在合肥地區(qū)相對于有利于場地地熱溫度場的恢復。巖土熱響應(yīng)參數(shù)：排熱模式每延米換熱量47.31W/m，取熱模式每延米換熱量35.17W/m；

場地的氣候條件及氣象設(shè)計參數(shù)：合肥市四季分明，夏熱冬冷，是地源熱泵特別適用區(qū)?？照{(diào)及太陽能設(shè)計參數(shù)如下：干球溫度空調(diào)夏季35℃、冬季-4.2℃，通風夏季31.4℃、冬季2.6℃，采暖-1.7℃；濕球溫度28.1℃，相對濕度夏季69%、冬季76%，年太陽輻照量4341.379MJ/（m2.a）（傾角等于當?shù)鼐暥龋?、年日照小時數(shù)2200～3000h、年平均日照小時數(shù)5.4h、年平均環(huán)境溫度10～15℃，其他設(shè)計參數(shù)：洗浴用熱水總用水量220T/d，設(shè)計熱水溫度55℃，集熱器年平均集熱效率取0.5，管路及儲水箱熱損失率取0.15。熱泵系統(tǒng)工況溫度，制冷7/12℃、供熱45/40℃；儲能水溫設(shè)計水溫，蓄能水池容量為1000m3，蓄冷4/10℃、蓄熱42/48℃

2.3 復合能源站設(shè)計方案

復合能源站以地溫能太陽能為基本源，地源熱泵系統(tǒng)為核心空氣源熱泵為輔助，配有水儲能池低谷電低成本蓄能和夏季空調(diào)近零成本熱回收節(jié)能系統(tǒng)，按低成本能源優(yōu)先使用為原則，實現(xiàn)大學生服務(wù)中心洗浴熱水供應(yīng)，各建筑物制冷和供暖，主要系統(tǒng)原理見圖1、2。

圖1 屋頂熱水系統(tǒng)運行原理Fig.1 Schematic diagram of roof hot water system operation

圖2 復合能源站系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of geothermal energy station system

建設(shè)本工程學校開設(shè)有新能源專業(yè)，工程設(shè)計中含有教學示范和實訓功能，教學示范實現(xiàn)路徑通過空調(diào)末端全裸實物展示、機房實物和系統(tǒng)運行屏幕展示、地源側(cè)實物剖面展示、太陽能集熱系統(tǒng)實物展示來實現(xiàn)，讓學生通過實物系統(tǒng)運行圖來理解熱能轉(zhuǎn)換過程，預留末端安裝房和機房安裝模擬室，讓學生進行空調(diào)系統(tǒng)安裝實訓工作。

2.4 復合能源站智慧運行管理系統(tǒng)

本項目為多元復合利用工程，耦合運行是項目成功的關(guān)鍵，為此復合能源站設(shè)計有智慧運行管理系統(tǒng)，智慧管理系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：每個空調(diào)的末端采用總控和自控（人體感應(yīng)控制系統(tǒng)，無人自動關(guān)機）雙控系統(tǒng)，由系統(tǒng)中樞根據(jù)末端使用計劃（課表）確定各末端的運行；根據(jù)天氣預報確定儲能池蓄能情況；根據(jù)天氣情況和學生洗浴情況設(shè)定空氣源源熱泵或地源熱泵工作時間以及熱水儲存量；根據(jù)天氣情況和運行成本綜合調(diào)配儲能池、儲水箱和熱水儲存量以及低谷電熱水制備量。

2.5 復合能源站效益分析

2.5.1 復合能源站節(jié)能分析

地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)設(shè)計工況時，充分考慮校園工程的特殊性，建筑密度低，在熱物性現(xiàn)場測試時，制冷工況向巖土體排熱溫度上限值30℃，制熱工況從巖土體取熱流體下限值7℃，場地的熱物性參數(shù)按此工況測得，地源側(cè)為單U孔，設(shè)計的孔與孔之間距離為6m，孔深120m，系統(tǒng)能效比設(shè)計值制冷能效比EER≥5.5，制熱能效比COP≥4.5。屋頂太陽能+空氣源系統(tǒng)，太陽能集水系統(tǒng)設(shè)計每日產(chǎn)≥70t，55℃熱水，空氣源熱泵在制熱能效比COP≤4.0時停止工作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)由地源熱泵制造熱水。儲能池熱損失率≤0.15，夜間低谷電工作。由以上數(shù)據(jù)綜合計算得出復合能源站制冷能效比EER≥5.5，制熱能效比COP≥5.5，系統(tǒng)節(jié)能處在較高水平。

2.5.2 復合能源站成本分析

復合能源站建造成本：熱泵系統(tǒng)建造成本720.3萬元，儲能池建造成本86.75萬元，太陽能熱水系統(tǒng)106.27萬元，復合能源站合計總建造成本（不含二期工程）913.32萬元，制冷供暖空調(diào)總供應(yīng)面積33000m2，每平米單價244.56元/平方米，低于合肥市場地源熱泵每平方米建造單價。與其他中央空調(diào)系統(tǒng)比較，復合能源站增加費用投資通過節(jié)能降低的運行費3年內(nèi)可靜態(tài)收回。

運行成本分析：學校電價0.58元/千瓦時，低谷電0.3153元/千瓦時，安徽省物價局文件地源熱泵工程用電，在原電價的基礎(chǔ)上降低0.057元/千瓦時，由此經(jīng)綜合計算得出：復合能源站空調(diào)制冷制熱冷熱量成本低于（0.58-0.057）×70%÷5.5+（0.3153-0.057）×30%÷5.5=0.0807元/千瓦時；熱水制熱量成本低于0.58×90÷160÷4.5=0.0725元/千瓦時（未包括蓄能池蓄熱運行工況計算）。

復合能源站的復合作用及效果：復合能源站采用多能源，可實現(xiàn)多能互補、取長補短、能效優(yōu)先、低成本運行等優(yōu)點，成功地解決系統(tǒng)熱能的用量遠大于冷能的用量造成的場地冷熱源不均衡問題，實現(xiàn)系統(tǒng)長久持續(xù)運行；通過智慧管理系統(tǒng)實現(xiàn)了低成本能源優(yōu)先運行原則，大大降低系統(tǒng)運行費用；通過“一拖二”或“一拖三”，大幅降低系統(tǒng)建造成本，使業(yè)主節(jié)約費用并有利于新能源系統(tǒng)社會推廣工作；復合能源實現(xiàn)新能源利用模式和技術(shù)創(chuàng)新。

3 結(jié)語

通過對某學院復合能源站應(yīng)用工程的研究可形成以下認識：

（1）由于學校建筑各末端使用的可預測性、高一致性和間隔性，學校集中建設(shè)復合能源站，綜合調(diào)配各末端的使用，可以大幅降低地源熱泵主機使用功率，大大減少機房和地源側(cè)建造成本，使得節(jié)能投資回收期遠低于市場的地源熱泵工程。

（2）由于學校建筑密度低，有足夠的空間實施地源熱泵、太陽能和蓄能工程，而且地源側(cè)孔間距可加大，降低或提高入泵溫度，從而系統(tǒng)地提高熱泵系統(tǒng)能效比。

（3）學校推廣新能源技術(shù)的應(yīng)用，具有廣泛的示范作用，進一步加快社會對新能源工程認識，有利于綠色建筑的普及和城市環(huán)境改變。

（4）加強校園復合能源站新能源工程應(yīng)用后續(xù)研究，特別是校園建筑的間隔性問題，爭取做到主機使用大于一拖二，達到一拖三，最大限度的降低建造成本；持續(xù)不斷積累系統(tǒng)運行大數(shù)據(jù)，做好天氣預報與智慧運行管理系統(tǒng)耦合工作，優(yōu)化系統(tǒng)運行，做到制熱制冷量平衡適當，運行費用最低。

（5）深入研究光伏發(fā)電或制熱在復合能源站及地球“充電寶”（巖土體儲熱）中的應(yīng)用。