多能協(xié)同能源站冷熱源配置方案比選分析

林嬋

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院 江蘇南京 211102）

0 引言

為推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、做好可再生能源供暖工作，冬冷夏熱地區(qū)按照“深淺結(jié)合、冷熱聯(lián)供、因地制宜、多能協(xié)同、梯度發(fā)展”的思路，開(kāi)發(fā)冬冷夏熱地區(qū)地?zé)豳Y源，穩(wěn)步提升地?zé)嵩诳稍偕茉垂嶂械谋戎?。?duì)于供能面積大、供能要求高、需要充足的基礎(chǔ)能源供應(yīng)來(lái)保障供冷和供熱的區(qū)域，利用多能源的互相補(bǔ)充是非常必要的。本文以冬冷夏熱地區(qū)某綜合型能源站為例，從投資估算、運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)分析方面，確定了該能源站冷熱源合理的配置方案，為多能協(xié)同能源站的冷熱源配置提供可行建議。

1 工程概述

能源站項(xiàng)目位于安徽省合肥市長(zhǎng)豐縣。項(xiàng)目占地面積9 702 m2。主要供能對(duì)象為北城醫(yī)院、幸福莊園。本項(xiàng)目針對(duì)供能范圍建設(shè)1 座多能協(xié)同的區(qū)域能源站，滿足該區(qū)域內(nèi)建筑全年的供冷、供熱需求。能源站地下1 層，地上1 層，其中地下建筑面積5 532.8 m2，地上建筑面積1 715.9 m2。

2 冷熱負(fù)荷

采用基于DOE-2 實(shí)用性最強(qiáng)的全年能耗動(dòng)態(tài)模擬軟件eQUEST，對(duì)北城醫(yī)院、幸福莊園進(jìn)行冷熱負(fù)荷計(jì)算［1-2］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算所得冷熱負(fù)荷匯總表

另外，醫(yī)院最大蒸汽消耗量為12.2 t/h，生活熱水消耗量為7.9 t/h。

3 能源系統(tǒng)技術(shù)方案

對(duì)該項(xiàng)目的能源條件分析如下：

（1）對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了熱響應(yīng)試驗(yàn)分析［3］，具備地埋管淺層地?zé)崮芾脳l件。由于用戶的計(jì)算冷負(fù)荷明顯高于熱負(fù)荷，而累計(jì)冷負(fù)荷也明顯高于累計(jì)熱負(fù)荷，單獨(dú)采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)會(huì)造成冷熱不平衡和夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷無(wú)法滿足的情況，因此需要設(shè)置輔助冷、熱源。

（2）該項(xiàng)目電力資源市政條件完善，容量充足，電價(jià)合理，采用地源熱泵系統(tǒng)，對(duì)降低運(yùn)行費(fèi)用非常有利。

（3）該項(xiàng)目具備燃?xì)饨尤霔l件，可作為輔助熱源，滿足項(xiàng)目可靠性基本要求。同時(shí)燃?xì)鈨r(jià)格較高（3.16 元/m3），應(yīng)盡量承擔(dān)調(diào)峰負(fù)荷。項(xiàng)目所在地有峰谷分時(shí)電價(jià)，可以考慮采用蓄能系統(tǒng)。

（4）與項(xiàng)目最近的市政蒸汽管網(wǎng)距離用戶較遠(yuǎn)，不具備引入市政蒸汽的條件。

根據(jù)項(xiàng)目能源資源條件和負(fù)荷特點(diǎn)，確定采用“地源熱泵+冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t+冰蓄能”等技術(shù)方案組合的復(fù)合式能源方案。

該區(qū)域能源站服務(wù)需求包括夏季空調(diào)、冬季采暖、全年生活熱水以及醫(yī)院蒸汽消毒。由于只有醫(yī)院有蒸汽和生活熱水負(fù)荷，因而設(shè)計(jì)在醫(yī)院內(nèi)建設(shè)鍋爐房滿足醫(yī)院的蒸汽、生活熱水及調(diào)峰熱源需求，建設(shè)能源站滿足用戶的空調(diào)冷熱需求，是比較經(jīng)濟(jì)合理的方式。

3.1 總體能源配置方案一

冬季由地源熱泵和燃?xì)忮仩t共同承擔(dān)熱負(fù)荷，夏季由地源熱泵、冷水機(jī)組以及冰蓄冷共同承擔(dān)冷負(fù)荷。冬季地源熱泵按照完全承擔(dān)夜間負(fù)荷確定，白天負(fù)荷高峰時(shí)由燃?xì)忮仩t調(diào)峰，地源熱泵裝機(jī)容量為總熱負(fù)荷的58.3%，通過(guò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)地源熱泵可以承擔(dān)冬季總負(fù)荷的85%。

考慮到機(jī)組的調(diào)節(jié)性，共設(shè)置3 臺(tái)地源熱泵主機(jī)，夏季設(shè)置3 臺(tái)冷水機(jī)組+冷卻塔進(jìn)行輔助制冷。因?yàn)槟茉凑居蟹骞入妰r(jià)，根據(jù)多能互補(bǔ)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，將1 臺(tái)冷水機(jī)組選為雙工況機(jī)組，并按照夜間8 h 低谷電時(shí)段蓄冰計(jì)算，配置冰蓄冷裝置。具體配置見(jiàn)表2。

表2 方案一主要冷熱源設(shè)備表

3.2 總體能源配置方案二

冬季由地源熱泵和燃?xì)忮仩t共同承擔(dān)負(fù)荷，夏季由地源熱泵、冷水機(jī)組和冰蓄冷共同承擔(dān)負(fù)荷。冬季地源熱泵按照承擔(dān)一小部分基礎(chǔ)負(fù)荷確定，大部分供暖負(fù)荷由燃?xì)忮仩t承擔(dān)，地源熱泵裝機(jī)容量為總熱負(fù)荷的30%，通過(guò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，地源熱泵可以承擔(dān)冬季總負(fù)荷的60%。

考慮到機(jī)組的調(diào)節(jié)性，共設(shè)置3 臺(tái)地源熱泵主機(jī)，夏季設(shè)置3 臺(tái)冷水機(jī)組+冷卻塔進(jìn)行輔助制冷。因?yàn)槟茉凑居蟹骞入妰r(jià)，根據(jù)多能互補(bǔ)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，將1 臺(tái)冷水機(jī)組選為雙工況機(jī)組，并按照夜間8 h 低谷電時(shí)段蓄冰計(jì)算，配置冰蓄冷裝置，具體配置見(jiàn)表3。

表3 方案二主要冷熱源設(shè)備表

4 投資估算

初投資估算費(fèi)用包括：地源熱泵機(jī)房系統(tǒng)所有設(shè)備的購(gòu)置及安裝；機(jī)房系統(tǒng)配電、控制柜的制作與安裝；室外地埋管換熱器及水平管系統(tǒng)施工；輔助冷熱源（冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t）系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)；空調(diào)外網(wǎng)；醫(yī)院熱水及消毒蒸用燃?xì)忮仩t等。地源井0.85 萬(wàn)元/口（打井，水平連管，地下小室等）。工程建設(shè)其他費(fèi)取工程造價(jià)的12%，基本預(yù)備費(fèi)取工程造價(jià)的5%［5］，具體的投資估算見(jiàn)表4。

表4 能源站系統(tǒng)工程投資估算比較 單位：萬(wàn)元

從投資估算上比較，方案一的工程總投資比方案二略高。

5 系統(tǒng)能耗及運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

項(xiàng)目所在地電價(jià)按照峰谷電均值0.638 元/kWh，天然氣3.16 元/m3，自來(lái)水價(jià)格為3.4 元/t。自來(lái)水主要用于燃?xì)忮仩t（輔助采暖）以及供能系統(tǒng)（經(jīng)軟化后）的補(bǔ)水。天然氣主要用于供暖燃?xì)忮仩t的燃料消耗。

能源站夏季制冷時(shí)間按照為5 月中旬至10 月下旬，計(jì)159 d。冬季制熱11 月中旬至次年3 月中旬，計(jì)110 d。因鍋爐房負(fù)擔(dān)蒸汽和生活熱水負(fù)荷，因而全年運(yùn)行。

與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的集中供熱和空調(diào)方式進(jìn)行對(duì)比分析，夏天冷水機(jī)組、冬季燃煤鍋爐提供的市政蒸汽運(yùn)行費(fèi)用整理見(jiàn)表5。

表5 運(yùn)行費(fèi)用比較 單位：萬(wàn)元

6 減排量比較

根據(jù)《北京市公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量（率）核定方法》（2017）中表B.0.1 規(guī)定的折算系數(shù)［4］，常用能源折算系數(shù)見(jiàn)表6，計(jì)算減排量見(jiàn)表7。

表6 常用能源折算系數(shù)

表7 減排量比較

比較發(fā)現(xiàn)，市政蒸汽（燃煤鍋爐）+常規(guī)冷水機(jī)組的方案運(yùn)行費(fèi)用最低，方案一與其接近。但是燃煤鍋爐不環(huán)保，不符合國(guó)家綠色能源的發(fā)展理念。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算條件如下：項(xiàng)目貸款利率4.9%，項(xiàng)目基準(zhǔn)收益率8%，20 a 固定資產(chǎn)折舊，年均維護(hù)成本65 萬(wàn)元，人員年均費(fèi)用135 萬(wàn)元（15 萬(wàn)元/人×9 人=135 萬(wàn)元），初投資15 601.3 萬(wàn)元，5 a 后正常運(yùn)行費(fèi)用為2 299.9 萬(wàn)元，正常收費(fèi)5 551.35 萬(wàn)元，（前5 a費(fèi)用由正常值的50%逐年過(guò)渡到100%），采暖接口費(fèi)2 000 萬(wàn)元。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同方案的投資回收期

通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益方面的比較，能源站配置組合更推薦方案一。

8 結(jié)論

（1）確定區(qū)域能源站冷熱源方案時(shí)需因地制宜、多能互補(bǔ)。本項(xiàng)目根據(jù)自身?xiàng)l件，具備地埋管淺層地?zé)崮芾脳l件。為使地源熱泵冷熱負(fù)荷平衡，從而配置輔助冷熱源，并利用當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)合理、市政燃?xì)饽茉纯煽康扔欣麠l件，確定了項(xiàng)目冷熱源系統(tǒng)主要采用地埋管地源熱泵+冷水機(jī)組+冰蓄冷+燃?xì)忮仩t的復(fù)合式系統(tǒng)。

（2）通過(guò)對(duì)其投資估算、運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)分析4 個(gè)方面的比較，選定了合理的冷熱源機(jī)組配置方案。從初投資看，方案一比方案二工程總投資多，但從運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)能減排方面比較，方案一更優(yōu)。從經(jīng)濟(jì)分析角度，方案一經(jīng)濟(jì)效益更好，因而更推薦方案一。

（3）該項(xiàng)目積極利用可再生能源、清潔能源，有較好的節(jié)能效果和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。能源站內(nèi)基本無(wú)污染物排放，每年節(jié)省標(biāo)煤耗量約3 718.8 t，每年減排二氧化碳9 743.3 t。方案采用多能互補(bǔ)，系統(tǒng)可靠性高，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好。項(xiàng)目動(dòng)態(tài)回收期＜10 a。這為促進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展起到了較好的示范作用，高度契合國(guó)家能源發(fā)展趨勢(shì)，是對(duì)“碳達(dá)峰”“碳中和”要求的具體響應(yīng)。同時(shí)，合理的冷熱源配置也為項(xiàng)目帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益，為今后類似工程項(xiàng)目提供分析依據(jù)。