邯鄲市主城區(qū)清潔可再生能源分布式供能解決方案研究

文_劉偉 趙艷霞 金凱欣

1 華清安泰（北京）科技股份有限公司 2 河北世元工程項(xiàng)目管理有限公司

1 邯鄲主城區(qū)供熱現(xiàn)狀

近年邯鄲地區(qū)房地產(chǎn)發(fā)展增速較快，根據(jù)《邯鄲市中心城區(qū)2016～2020年供熱規(guī)劃修編》， 2020年規(guī)劃供暖面積9594萬m2。2018年度供熱面積約4870萬m2， 2018～2019年度在建待接入用戶約2000萬m2，2020年度待接入用戶約2600萬m2，2019～2020年每年供熱缺口在2000多萬m2。

早些年邯鄲地區(qū)以集中供熱為主，在現(xiàn)有4870萬m2供熱面積中，邯鄲熱力公司約3870萬m2，其他熱力公司和單位自建分布式約1000萬m2。近年來，隨著供熱壓力和環(huán)保要求的增加，邯鄲熱力公司也在積極尋找替代能源，已實(shí)現(xiàn)新能源替代650萬m2。包括2014～2015年實(shí)施的供熱面積300萬m2的邯鋼沖渣水余熱利用項(xiàng)目，2014～2016年實(shí)施的供熱能力30萬m2、供冷能力15萬m2的西污水處理廠污水熱泵利用項(xiàng)目，2017年啟動(dòng)實(shí)施的熱能力100萬m2東污水處理廠污水熱泵利用項(xiàng)目。

目前市政熱網(wǎng)已經(jīng)存在供熱能力不足情況，部分城區(qū)供暖溫度難以達(dá)到18℃?；诤愂袇^(qū)當(dāng)前供熱能力和需求分析下，因地制宜發(fā)展分布式供能迫在眉睫。

2 清潔能源資源分析

根據(jù)目前清潔能源技術(shù)發(fā)展水平，能夠用于邯鄲地區(qū)供熱的清潔能源主要包括燃?xì)狻⒖諝饽?、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能，具體需要結(jié)合項(xiàng)目需求和資源條件對(duì)多種能源方式從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度分別加以分析，選擇最佳的清潔能源供暖方式。

2.1 太陽能

太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，目前發(fā)展迅速，光電、光熱技術(shù)成熟并已廣泛應(yīng)用。光伏主要用于發(fā)電，需要大量的場(chǎng)地或屋頂。近兩年，有些地區(qū)利用“光伏發(fā)電+蓄熱電暖氣”技術(shù)解決農(nóng)村居民采暖，但在城市中還不能大量推廣。光熱主要用在熱水方面，用于家庭洗浴較多。為了解決不良天氣情況，通常需要配備電輔助加熱。由于冬季供暖用熱需求量大，光熱技術(shù)難以滿足城區(qū)住宅供暖需求。

2.2 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能主要包括植物秸稈、人畜糞便、餐廚垃圾所包含的化學(xué)能，它直接或間接地來源于植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。植物秸稈利用方面，經(jīng)過厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣發(fā)電，廢熱用于供暖，減少污染排放的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。

由于垃圾填埋場(chǎng)距離城區(qū)較遠(yuǎn)、植物秸稈不便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、各種飼養(yǎng)場(chǎng)也主要在鄉(xiāng)村等地域特點(diǎn)，導(dǎo)致生物質(zhì)能不能在主城區(qū)有效利用。

2.3 燃?xì)?/h3>

燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉?，用于供熱是非常成熟和穩(wěn)定的。很多小區(qū)已將燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t，新建住宅小區(qū)部分采用燃?xì)忮仩t集中供暖、部分采用分戶燃?xì)獗趻鞝t。燃?xì)夤┡饕嬖诠饬坎环€(wěn)定和用熱成本高兩方面問題。經(jīng)測(cè)算，在當(dāng)?shù)貧鈨r(jià)情況下，燃?xì)獠膳M(fèi)用約在30～35元/m2，作為清潔能源的主力——燃?xì)獠膳诤惖貐^(qū)基本無法推行。燃?xì)鉄岜眉夹g(shù)產(chǎn)品一定程度提高了能效，但是產(chǎn)品規(guī)格小，不適用城市大體量項(xiàng)目。

2.4 電儲(chǔ)能

電儲(chǔ)能技術(shù)可以在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)儲(chǔ)能、電網(wǎng)高負(fù)荷時(shí)輸出能量，用于削峰填谷、減輕電網(wǎng)波動(dòng)，同時(shí)降低用戶用能費(fèi)用。國(guó)家能源局單獨(dú)發(fā)文明確“對(duì)于居民采暖的電蓄熱鍋爐、熱泵采暖，執(zhí)行合表電價(jià)的享受居民峰谷電價(jià)，且電力增容費(fèi)用由國(guó)網(wǎng)承擔(dān)。”不考慮電力增容的問題，單獨(dú)從投資和運(yùn)行費(fèi)用角度進(jìn)行分析，對(duì)邯鄲某20萬m2的居民小區(qū)和供熱300萬m2的熱源廠，用電鍋爐水蓄能技術(shù)進(jìn)行了測(cè)算。測(cè)算投資約80～100元/m2，綜合運(yùn)營(yíng)費(fèi)用25～30元/m2，高于當(dāng)?shù)夭膳召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，因此電蓄熱在邯鄲地區(qū)無法推廣應(yīng)用。

2.5 空氣能

空氣作為熱泵的低位熱源，取之不盡，用之不竭，目前的產(chǎn)品包括小型家用空氣源熱泵、中型模塊化商用空氣源熱泵機(jī)組和大型空氣源熱泵機(jī)組，以及能源塔熱泵機(jī)組等。

2.5.1 常規(guī)空氣能熱泵

近年在“煤改電”政策下發(fā)展尤為迅猛，農(nóng)村燃煤替代中很多采用家用空氣源熱泵。河北、山東也有一些城市住宅小區(qū)熱力不足項(xiàng)目采用模塊化空氣源熱泵機(jī)組，其中大規(guī)模的項(xiàng)目采用上百臺(tái)。

采用熱泵技術(shù)，空氣源熱泵的綜合能效比在2.0～2.5之間，同樣電價(jià)下運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)直接電采暖節(jié)約60%以上。經(jīng)測(cè)算，在邯鄲地區(qū)居民峰谷電價(jià)下，電耗費(fèi)在12～15元/m2之間，投資費(fèi)用在70～80元/m2。

我國(guó)寒冷地區(qū)冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計(jì)算溫度基本在-5℃～-15℃，最冷月平均室外相對(duì)濕度基本在45%～65%之間。在這些地區(qū)選用空氣源熱泵，其結(jié)霜現(xiàn)象不太嚴(yán)重。但低溫下效率問題、噪音問題、供熱穩(wěn)定性、壽命問題、場(chǎng)地問題均是制約其在城市中大規(guī)模應(yīng)用的因素。

2.5.2 能源塔熱泵技術(shù)

能源塔熱泵技術(shù)是通過能源塔與空氣的熱交換和熱泵機(jī)組作用，實(shí)現(xiàn)供暖、制冷以及提供熱水的技術(shù)。冬天它利用低于冰點(diǎn)的載體介質(zhì)，高效提取冰點(diǎn)以下的濕球水熱能。通過能源塔熱泵機(jī)組輸入少量高品位電能源，實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)以下低溫?zé)崮芟蚋邷匚晦D(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)制熱；夏天由于能源塔的特殊設(shè)計(jì)，起到高效冷卻塔的作用，將熱量排到大氣實(shí)現(xiàn)制冷。能源塔適用于夏熱冬冷地區(qū)，在濕球溫度-20℃以上的地區(qū)可安全可靠運(yùn)行，整個(gè)冬季機(jī)組的性能系數(shù)COP可在3.0～3.5范圍。在冬季濕度較大的地區(qū)，容易吸收空氣中的水分而稀釋鹽溶液，根據(jù)不同濕度情況控制鹽溶液濃度是關(guān)鍵。

經(jīng)測(cè)算，在居民電價(jià)下，10萬m2以上小區(qū)，采用能源塔投資在70～80元/m2，和空氣源熱泵基本相同。運(yùn)營(yíng)能耗費(fèi)用在10～12元/m2之間，考慮綜合維修等費(fèi)用不超過15元/m2。采用能源塔熱泵，相對(duì)于邯鄲地區(qū)采暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)上是可行的。

2.6 地?zé)崮?/h3>

供暖上應(yīng)用較多的地?zé)崮芊N類有淺層地溫能、干熱巖和深層地?zé)崮堋\層地溫能賦存于地表以下200m，淺范圍內(nèi)巖土體和水中，深層地?zé)豳Y源賦存于200m以下大于25℃的地下水或巖體中。地?zé)豳Y源具有很強(qiáng)的地域性，它的含量和可開采量與地質(zhì)條件、氣溫條件有很大關(guān)系。調(diào)研邯鄲主城區(qū)情況如下。

2.6.1 深層地?zé)崮?/p>

邯鄲地區(qū)地?zé)豳Y源主要潤(rùn)含在第三系中，第三系以砂巖、灰?guī)r為主。東部地?zé)豳Y源相對(duì)好些，局部可以達(dá)到60～70℃，開采量可以達(dá)到60m3/h以上，但是回灌困難。城區(qū)地?zé)豳Y源相對(duì)貧瘠，出水量約在40m3/h，水溫40℃左右，且回灌困難。

由于之前疏于監(jiān)管，很多縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小區(qū)私自開采地?zé)崛∷苯庸┡?，直接排放造成了極大的地?zé)岬V產(chǎn)資源浪費(fèi)?，F(xiàn)在政府開始嚴(yán)格管控，并采取關(guān)停措施。因此主城區(qū)深層地?zé)崛∨慕?jīng)濟(jì)性較低。

2.6.2 干熱巖

干熱巖（HDR），也稱增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），或稱工程型地?zé)嵯到y(tǒng)，是一種溫度大于200℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。由于當(dāng)?shù)貛r體溫度低，干熱巖技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性不高。

2.6.3 淺層地?zé)崮?/p>

淺層地?zé)崮茉趪?guó)際已經(jīng)成熟應(yīng)用幾十年，國(guó)內(nèi)也成功應(yīng)用近20a，目前的利用形式主要為水源熱泵、地源熱泵、污水源熱泵。

邯鄲地區(qū)200m以內(nèi)土壤平均溫度為16～17℃，20m以下基本恒定。整體地勢(shì)西高東低，城區(qū)西面第四系厚度約為70m，向東埋深加深到300m以上。第四系地層以粘土和砂層為主，比較適合做淺層地源熱泵。

地源熱泵可以采暖、制冷、制取生活熱水，一機(jī)三用，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃?xì)猓ㄈ济海╁仩t+冷水機(jī)組，公建投資在200～300元/m2，相對(duì)傳統(tǒng)項(xiàng)目投資增加20%～30%，由于其綜合能效比達(dá)到3.0～3.5，因此增加投資部分3～5a即可回收。住宅采暖項(xiàng)目，純地源熱泵投資約150元/m2，運(yùn)行電費(fèi)約10元/m2，經(jīng)濟(jì)性是可行的。地源熱泵技術(shù)方面主要需解決打井場(chǎng)地，僅單獨(dú)取熱情況下長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)造成地溫偏低，影響供暖效果的問題。

通過上述分析，各種清潔供暖方式見表1。

表1 主城區(qū)分布式清潔供暖資源分析

3 最優(yōu)的清潔供暖技術(shù)——地源熱泵+能源塔

綜合上述分析，生物質(zhì)能的地域性限制、燃?xì)獬杀靖咔覛庠床环€(wěn)定、電儲(chǔ)能成本高，常規(guī)空氣能不適宜大規(guī)模項(xiàng)目，深層地?zé)岷透蔁釒r不具備條件。

可大規(guī)模用于主城區(qū)的清潔能源供暖只有能源塔和地源熱泵，這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用多能互補(bǔ)技術(shù)，創(chuàng)新性地將地源熱泵和能源塔組合在一起使用，將空氣能和地?zé)崮苡袡C(jī)組合，因地制宜合理配置比例，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，安全穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)合理，詳見表2。

表2 地源熱泵+能源塔熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性分析表

4 地源熱泵+能源塔應(yīng)用案例分析

4.1 項(xiàng)目概況

梧桐雅苑項(xiàng)目位于邯鄲市復(fù)興區(qū)，總建筑面積39萬m2，地上建筑面積29.7萬m2，建筑物性質(zhì)為住宅及配套商業(yè)，建筑物末端采用地板采暖系統(tǒng)。

4.2 負(fù)荷需求和采暖形式

設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為30W/m2；低區(qū)熱負(fù)荷5073kW，高區(qū)熱負(fù)荷3850kW;室內(nèi)采用地板輻射采暖，供回水溫度為45℃/35℃。

4.3 設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目距離市政熱網(wǎng)較遠(yuǎn)，按照地源熱泵+能源塔多能互補(bǔ)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)高、低區(qū)負(fù)荷分配和機(jī)組模數(shù)，最終選型配置比例為地源熱泵47%，能源塔53%。為解決長(zhǎng)期取熱帶來的地溫衰減問題，設(shè)計(jì)了補(bǔ)熱措施和地溫場(chǎng)監(jiān)控措施。當(dāng)冬季運(yùn)行中監(jiān)測(cè)到地溫低影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在白天日間溫度高時(shí)開啟能源塔和地埋井之間的換熱板換補(bǔ)熱。

項(xiàng)目設(shè)置了華清安泰“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源管控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，結(jié)合環(huán)境溫度、土壤溫度、室內(nèi)負(fù)荷變化情況，對(duì)能源塔和地源熱泵能效狀況進(jìn)行分析對(duì)比，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行工況，選擇高效、安全的模式運(yùn)行。

4.4 投資和經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)目投資2900萬元，約98元/m2。綜合能耗、管理費(fèi)、維修費(fèi)年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約13.5元/m2/a。

采暖費(fèi)按照首年開發(fā)商100%繳費(fèi)，之后居民繳費(fèi)。入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。按照8%的折現(xiàn)率測(cè)算，靜態(tài)投資回收期5.9a，內(nèi)部收益率18.4%；20a凈現(xiàn)值547萬元，整體收益率較好。

4.5 項(xiàng)目總結(jié)

梧桐雅苑項(xiàng)目采用地源熱泵+能源塔分布式能源方案技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性均可行，小區(qū)入住率是關(guān)鍵。在運(yùn)行中加強(qiáng)管理，通過技術(shù)優(yōu)化，設(shè)置合理的運(yùn)行策略，在保障供暖效果前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳、清潔高效運(yùn)行。

5 應(yīng)用推廣情況

繼邯鄲主城區(qū)梧桐雅苑項(xiàng)目實(shí)施地源熱泵+能源塔分布式清潔能源供暖技術(shù)后，后續(xù)多個(gè)項(xiàng)目采用本清潔能源技術(shù)實(shí)施分布式供暖。地源熱泵+能源塔清潔供暖技術(shù)的應(yīng)用，解決了城市熱網(wǎng)不到位情況下供熱難題，為居民提供了安全舒適得生活環(huán)境，在雙碳目標(biāo)下，為城市主城區(qū)推廣可再生能源分布式供能提供了一條可行之路。