基于多能互補特性的園區(qū)綜合能源典型方案研究

李桂鑫，王 哲，姚俊韜，王偉臣，孫 闊

（1.國網天津市電力公司，天津 300010；2.廈門大學，福建 廈門 361005）

1 常見的綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)可以提升綜合能源利用效率和能源機供給可靠性，本質上是通過借助于不同種能源形式之間的互補性和耦合性，將這些資源加以優(yōu)化和整合，從而有效實現(xiàn)這些不同種類及形式的能源之間形成有效的梯級利用關系[1]。電力儲能設備本身具有一定的移峰填谷作用，可在一定程度上實現(xiàn)電能的梯級利用。

提高綜合能源系統(tǒng)利用效率和能期供給可靠性的能源系統(tǒng)包括熱泵、蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)等。

1.1 熱泵系統(tǒng)

典型熱泵系統(tǒng)如圖1所示：壓縮機消耗1份電能從空氣中提取2～4份能量，實現(xiàn)3～5份熱能的輸出，提升溫度進行利用，這也是熱泵節(jié)能的原因。通過綜合實現(xiàn)對于能源系統(tǒng)中熱泵系統(tǒng)的分析及應用，能夠在根本上推進綜合能源系統(tǒng)整體運行效率的提升，還能夠有效提高能源的利用效率和效果，通過利用熱的慣性，還可以起到電負荷調節(jié)的作用。

圖1 典型熱泵系統(tǒng)

1.2 蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)

蓄熱式電鍋爐是利用夜間低谷時段的電能作為能源，通過夜間蓄熱實現(xiàn)白天的熱水及暖氣供應。這種蓄熱-供暖/熱水系統(tǒng)在很大程度上提升了系統(tǒng)的運行效率，提升了設備的利用效果，同時有助于節(jié)省較多的設備初期投資。這一設備實現(xiàn)了在低谷期進行電能的儲蓄，通過削峰填谷，進而有效利用了電能，起到節(jié)能減排的作用，既保證了能源的節(jié)約，又實現(xiàn)了有害氣體排放量的減少，推動了環(huán)境友好社會的順利實現(xiàn)。

1.3 冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)

這一體系的最佳優(yōu)勢在于，能夠實現(xiàn)對不同品質能量的程序化、階梯式收集和利用。例如，用于發(fā)電的能量，往往都是溫度較高且用途較大的熱能，而低品位的熱能由于溫度比較低，則往往會用來供熱或制冷[2]。冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的有效實現(xiàn)，通過階梯式地能量運用，有效地提高了能源的整體運用效率。

2 基于多能互補特性的綜合能源典型方案分析

本文選擇的案例為綜合性園區(qū)，園區(qū)位于天津市的濱海新區(qū)，本文規(guī)劃園區(qū)的中期工程，供能面積為3 km2，新增建筑主要有廠房和住宅，本文主要考慮新增132.5 MW采暖供熱的需求。

2.1 園區(qū)資源利用情況分析

2.1.1 太陽能資源

該園區(qū)太陽能輻射資源處于二類地區(qū)，屬于太陽能資源較豐富區(qū)域，多年年平均太陽輻射量在4 845 MJ/m2左右，即1 346 kW·h/m2。10年平均年日照時數為1 200 h左右，尤其是7、8月份光照時間長、太陽輻射量充足，具有良好太陽能資源條件。但是由于目前當地電價、光伏補貼和建設成本等原因，當地未規(guī)劃建設光伏。

2.1.2 風能資源

該園區(qū)靠近海力領域，因此具有非常豐富的風力資源，10 m高多年平均風速為5.0 m/s，65 m高多年平均風速為6.38 m/s，較快的風速在很大程度上促進了風能資源的有效開發(fā)。結合目前的發(fā)電工程運行情況可知，同級項目的并網發(fā)電工程具備良好的優(yōu)勢，由于這一地區(qū)具有得天獨厚的風力資源，致使其風能得以有效開發(fā)，從而很好地實現(xiàn)了自然資源的有效利用，有助于更好地產生良好的經濟收益。目前，周邊已建成120 MW風電場。

2.1.3 淺層地熱資源

園區(qū)淺層地熱資源通過熱泵技術開采利用，200 m以內蘊藏的淺層地熱能冬、夏兩季可交換資源量為3.25×1 013 kJ，適合用地埋管式地熱泵。但是該地區(qū)地熱資源開發(fā)利用較少，地熱供暖起步較晚，地區(qū)尚未形成規(guī)?；牡責峁┡a業(yè)。

園區(qū)淺層地下蘊含著大量的水資源，年平均可開采模數為10×10～15×10 m3/km2，水資源的質量良好，可以作為產業(yè)示范區(qū)的最佳水源?？杉涌煳鬯幚韽S的建設，從而來實現(xiàn)水資源的再生，將污水用于園區(qū)內的工業(yè)、道路清潔、綠化養(yǎng)護以及種植業(yè)用水等方面。

2.2 園區(qū)綜合能源多方案匹配

按照區(qū)域的功能進行區(qū)分，不同的能源利用方案往往會造成用能方式的差異化。當園區(qū)建設進行到中期階段時，會面臨多樣化的能源供應方式的選擇，具體如下。

2.2.1 “地源熱泵+污水源熱泵+燃氣鍋爐調峰”的供能方案

在這一方案中，燃氣鍋爐是供熱的主要設備，在實施能源利用時，需要充分考慮地熱條件、區(qū)域規(guī)劃、地質條件等因素，從而更好地推動能源供應的順利進行。擬采用“地源熱泵+污水源熱泵+燃氣鍋爐調峰”式為中期增加區(qū)提供冬季采暖。

考慮到地源熱泵效率可達300%～500%，污水源熱泵的效率可達到200%，規(guī)劃地源熱泵供熱規(guī)模25.5 MW，污水源熱泵供熱規(guī)模15.5 MW，燃氣熱水鍋爐房供熱規(guī)模105 MW，此方案可以有效解決當前功能問題。

2.2.2 “地熱熱泵+污水源熱泵+蓄熱式電鍋爐調峰”的供能方案

該供能方案將電鍋爐作為供熱調峰的設備。考慮到國家供暖優(yōu)惠電價的政策，可以采用蓄熱式電鍋爐，在夜間電價優(yōu)惠區(qū)間蓄熱，在白天用熱期間放熱，達到經濟性的目的。因此，擬采用“地熱熱泵+污水源熱泵+蓄熱式電鍋爐調峰”這一供能方式，以更好地解決人們的采暖需求。

規(guī)劃地源熱泵供熱規(guī)模25.5 MW，污水源熱泵供熱規(guī)模15.5 MW，燃氣熱水鍋爐房供熱規(guī)模110 MW，這一方案能夠實現(xiàn)新增132.5 MW采暖供熱的需求。

2.2.3 “地熱熱泵+污水源熱泵+電鍋爐與燃氣鍋爐聯(lián)合調峰”的供能方案

該供能方案將電鍋爐和燃氣鍋爐聯(lián)合作為供熱調峰的設備?？紤]可再生能源的消納，將園區(qū)附近的的風電場作為電鍋爐的供能設備，總裝機電量為120 MW，由于風力發(fā)電的不穩(wěn)定性和間歇性，風能規(guī)劃量按總裝機容量的90%即108 MW考慮，不足電力由電網提供。

以電鍋爐和燃氣鍋爐聯(lián)合調峰的供能方案，擬采用“地熱熱泵+污水源熱泵+電鍋爐與燃氣鍋爐聯(lián)合調峰”式提供冬季采暖。規(guī)劃地源熱泵供熱規(guī)模25.5 MW，污水源熱泵供熱規(guī)模15.5 MW，燃氣熱水鍋爐房供熱規(guī)模106 MW，由此組成園區(qū)供能方案，滿足該區(qū)域在中期新增132.5 MW采暖供熱的需求。

2.3 各規(guī)劃方案綜合對比

將園區(qū)的3種綜合能源方案進行成本綜合對比，如表1所示。

表1 3種綜合能源方案綜合對比

可以得出：方案一的總體初投資造價最低，屬于常規(guī)方案，安全、可靠程度較高，但是用地面積大；方案二的運行成本較低，并且有效的使用蓄熱式電鍋鍋爐達到削峰填谷的效果，但是投資相對較大；方案三由于引入風電等可再生能源供能，資源綜合利用效率高，運行成本會相較于其他兩方案低，但是風電引入需要進一步洽談。

因此，可以看到3種方案匹配模式各有優(yōu)缺點，從能源利用效率和整體成本的角度出發(fā)，本研究推薦方案三。具體建設應根據園區(qū)實際情況采用合適的方案。

3 結 論

本文對園區(qū)提出了3種供能方案，規(guī)劃過程中均考慮了多能互補特性，在因地制宜的滿足園區(qū)用能需求的同時，提高了綜合能源效率。