梧桐雅苑項目多能耦合分布式能源供熱技術(shù)研究應(yīng)用

許軍強(qiáng) 劉振波 劉偉 中電洲際環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司 華清安泰能源股份有限公司

1 項目概況

梧桐雅苑項目位于邯鄲市復(fù)興區(qū)，總建筑面積389059m2，供暖面積296524m2。項目于2019 年開工建設(shè)，2022 年年底交付入住。

建筑采用地板采暖系統(tǒng)，住宅30W/m2熱負(fù)荷，商業(yè)45W/m2熱負(fù)荷。項目總供暖負(fù)荷8146kW，其中1～16 層為低區(qū)，熱負(fù)荷4710 kW；17 層及以上為高區(qū)，熱負(fù)荷3436kW。

2.能源狀況

項目所在地集中熱網(wǎng)還沒敷設(shè)到位，且市政熱網(wǎng)已經(jīng)存在供熱能力不足情況，采用集中供熱存在小區(qū)建成后管網(wǎng)不能接入和供熱不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險。

依據(jù)《邯鄲市冬季清潔取暖專項規(guī)劃（2018—2020 年）》，結(jié)合項目需求，以及邯鄲地區(qū)燃?xì)?、空氣能、太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉促Y源情況，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)、節(jié)能角度分別加以分析，選擇適宜本項目的清潔能源供暖方式。

2.1 燃?xì)?/h3>

邯鄲地區(qū)主要存在供氣量不穩(wěn)定和用熱成本高兩方面問題。經(jīng)測算，在當(dāng)?shù)貧鈨r情況下，燃?xì)獠膳M用約在30～35 元/m2，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)?8.9 元/m2的供熱收費標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)性不可行。

2.2 太陽能

太陽能光熱在熱水制取方面，應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟。由于供暖用熱需求量大，光熱采暖需要大量的屋頂資源，同時需要配置應(yīng)急熱源解決連續(xù)陰天天氣，光熱技術(shù)難以滿足大規(guī)模住宅供暖需求。

2.3 電儲能

電儲能技術(shù)可以用于在電網(wǎng)低負(fù)荷時儲能，在電網(wǎng)高負(fù)荷的時候輸出能量，用于削峰填谷，同時降低用能費用。不考慮電力增容的問題，電蓄熱投資約80～100 元/m2，運營費用25～30 元/m2，高于當(dāng)?shù)夭膳召M標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)方面不可行。

2.4 空氣能

空氣作為熱泵的低位熱源，使用便利、成熟，屬于可再生能源，目前的產(chǎn)品包括常規(guī)空氣源模塊機(jī)、能源塔熱泵機(jī)組等。

2.4.1 常規(guī)空氣能熱泵

空氣源熱泵的綜合能效比在2.0～2.5 之間，同樣電價下運行費用相對直接電采暖節(jié)約60%以上。經(jīng)測算，投資費用70～80 元/m2，在居民峰谷電價下電耗費12～15 元/m2，經(jīng)濟(jì)方面可行。空氣源熱泵低溫下連續(xù)運行，效率、噪音、供熱穩(wěn)定性制約其在城市中大規(guī)模發(fā)展。

2.4.2 能源塔熱泵

能源塔熱泵是通過能源塔與空氣的熱交換和熱泵機(jī)組作用，實現(xiàn)供暖、制冷以及提供熱水的技術(shù)。冬天它利用低于冰點載體介質(zhì)，高效提取冰點以下的濕球水熱能。能源塔在夏熱冬冷、在濕球溫度-20℃以上的地區(qū)可安全可靠運行，整個冬季機(jī)組的性能系數(shù)COP 可在3.0～3.5 范圍。經(jīng)測算，采用能源塔投資在70～80 元/m2，在居民電價下能耗費用在10～12 元/m2之間，經(jīng)濟(jì)方面可行。

2.5 地?zé)崮?/h3>

供暖上應(yīng)用較多的地?zé)崮芊N類有淺層地溫能和中深層地?zé)崮?。淺層地溫能賦存于地表以下200m 以淺范圍內(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，調(diào)研邯鄲主城區(qū)情況如下。

2.5.1 深層地?zé)崮?/p>

邯鄲地區(qū)地?zé)豳Y源主要潤含在以砂巖、灰?guī)r為主的第三系中，出水量約在40m3/h，水溫40℃上下，且回灌困難。早期不合理開發(fā)利用造成地下水污染浪費，政府已嚴(yán)格管控地?zé)衢_采，并采取關(guān)停措施。

2.5.2 淺層地?zé)崮?/p>

邯鄲地區(qū)第四系地層以粘土和砂層為主，200m 以內(nèi)土壤平均溫度大約16～17℃，比較適合做淺層地源熱泵。經(jīng)測算住宅采暖項目，地源熱泵投資大約在150 元/m2，運行電費大約在10 元/m2，經(jīng)濟(jì)可行。技術(shù)方面主要是要解決打井場地和冷熱平衡問題。

3 能源方案

能源塔熱泵和地源熱泵是相對適用于城區(qū)較大規(guī)模項目的清潔供暖技術(shù)，兩項技術(shù)各有優(yōu)缺點，通過因地制宜的合理配置、有機(jī)組合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，可以有效解決供熱問題。

同時可以考慮預(yù)留集中供熱接入條件，實現(xiàn)淺層地?zé)崮?空氣源+集中熱力調(diào)峰的多能耦合方案，通過分期建設(shè)實現(xiàn)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、綠色低碳。

3.1 地?zé)崮?能源塔耦合方案

該方案結(jié)合高低區(qū)需求，分別配置了地源熱泵、能源塔熱泵機(jī)組，循環(huán)泵、真空脫氣機(jī)、定壓補(bǔ)水裝置等設(shè)備，同時配置了補(bǔ)熱板換，非采暖季利用能源塔對地下補(bǔ)熱，解決地溫場平衡問題。

地源熱泵配置占總負(fù)荷52%，能源塔熱泵占總負(fù)荷59%，預(yù)留11%安全余量。運行中，夜間以地源熱泵承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)責(zé)，不足時開啟能源塔熱泵。同時結(jié)合地溫場監(jiān)測、熱泵能效監(jiān)測系統(tǒng)，分析地源和能源塔系統(tǒng)運行能效，選擇高效優(yōu)先的運行模式。

綜合測算建安工程費，勘察設(shè)計費、監(jiān)理費、建設(shè)管理費等二類費，項目投資2911萬元，約98 元/m2。開發(fā)商承擔(dān)70 元/m2的建設(shè)費用，超出部分投資由熱力公司承擔(dān)。

不考慮公司管理成本，項目能耗、管理和維修年運營費用約13.5 元/m2/a。

采暖入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。收費方面，按照首年開發(fā)商100%繳費，之后按照入住情況居民繳費。靜態(tài)投資回收期7a，內(nèi)部收益率13.4%，整體收益較好。

3.2 地?zé)崮?能源塔+市政熱力耦合方案

三種能源互補(bǔ)方式下，地源熱泵配置占比38%、能源塔配置占比29%、市政熱力配置占比40%。運行時優(yōu)先利用可再生能源，不足時市政熱力調(diào)峰，可再生能源運行比例可以達(dá)到80%以上。鑒于熱力從電廠購入價格因素，也可在初、末寒期優(yōu)先使用市政熱力，嚴(yán)寒期熱力供應(yīng)高峰時優(yōu)先使用分布式能源，實現(xiàn)大網(wǎng)和分布式靈活調(diào)配。

綜合測算建安工程費、管理費等，項目投資2650 萬元，約88 元/m2。其中開發(fā)商承擔(dān)70 元/m2的建設(shè)費用，超出投資由熱力公司承擔(dān)。綜合能耗、管理費、維修費年運營費用約13 元/m2/a。同樣入住率、收費率情況下，靜態(tài)投資回收期4.6a，內(nèi)部收益率22%。

3.3 方案對比分析

采用地源熱泵+能源塔熱泵+市政熱網(wǎng)三種能源互補(bǔ)方式，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于地源熱泵+能源塔熱泵二種能源互補(bǔ)方式，且提高了運行安全保障，整體方案最優(yōu)。

此方案風(fēng)險點是市政熱網(wǎng)接入時間，為避免出現(xiàn)熱力不能接入影響供能問題，系統(tǒng)預(yù)留了能源塔熱泵位置、電量和管路接口。結(jié)合小區(qū)入住率情況，在2023 年熱網(wǎng)不能接入影響供能安全時，可及時安裝預(yù)留能源塔熱泵機(jī)組。

本項目容積率高，沒有公共綠地可以布置地埋管，經(jīng)論證采用基礎(chǔ)下地源熱泵埋管方式，同時采用能源塔熱泵、市政熱力耦合供熱技術(shù)，技術(shù)還是具有一定領(lǐng)先性。數(shù)字化智慧能能源管理技術(shù)在本項目中發(fā)揮重要作用，根據(jù)熱泵能效監(jiān)測系統(tǒng)，通過自控邏輯判斷始終選擇高效運行模式；同時對熱泵和大網(wǎng)供熱進(jìn)行模式判斷，選擇經(jīng)濟(jì)運行模式；系統(tǒng)設(shè)置了安全預(yù)警模式，在監(jiān)測地下溫度場偏低時，及時切換運行模式保證運行安全；在過渡季監(jiān)測地溫場恢復(fù)情況，適時啟動補(bǔ)熱措施，保證長期安全穩(wěn)定運行。

項目采用可再生能源和余熱供暖，相對燃?xì)夤┡旯?jié)煤1420tce，年減排3500t 二氧化碳，環(huán)保效益非?？捎^。

4 建設(shè)方案

鑒于項目技術(shù)先進(jìn)性、復(fù)雜性，對設(shè)計、施工、運營要求高，常規(guī)的專項承包模式難以適應(yīng)本分布式能源項目。經(jīng)論證采用EPC總承包模式，選擇具有豐富設(shè)計、施工、集成經(jīng)驗的單位來實施。通過EPC 總承包合同控制總投資、質(zhì)量、安全、進(jìn)度標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)避建設(shè)風(fēng)險。

地源換熱井全部布置在建筑車庫底板下，地源井的布置和施工與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，經(jīng)精心組織、優(yōu)化論證，解決了多項關(guān)鍵問題，確保了施工質(zhì)量。

4.1 管道穿底板防水問題

基礎(chǔ)底板面積大，多處地源干管需要穿底板進(jìn)入地下車庫然后匯集到機(jī)房內(nèi)。該區(qū)域地下水位高，水平管位于承壓水位下。為此采用了加強(qiáng)柔性防水套管，經(jīng)試驗檢測套管和PE 管之間承壓能力在6kg 以上確保套管內(nèi)部不漏水。底板墊層防水層和套管翼環(huán)融為一體，套管底部位于墊層以下30cm，套管頂部位于底板地面以上10cm，確保底部、外壁不滲水。

4.2 解決基礎(chǔ)擾動問題

基坑土方開挖時預(yù)留1m 覆土，鉆機(jī)設(shè)備在預(yù)留1m 覆土層進(jìn)行鉆井作業(yè)。鉆井完成后開挖并清理預(yù)留1m 覆土，并連同水平管溝土方一同開挖，避免二次開挖破壞基礎(chǔ)底板。管溝回填材料采用細(xì)沙至墊層底標(biāo)高，管底部10cm 輻射細(xì)沙，管頂30cm 內(nèi)采用人工夯實，30cm 以上采用平板振搗器振搗，壓實系數(shù)達(dá)到0.96 以上，以滿足基礎(chǔ)承載力要求。

4.3 施工工序組織問題

依據(jù)總包基礎(chǔ)施工進(jìn)度，劃分小流水單元，鉆井、換熱器安裝、水平管溝開挖、水平管道安裝、管溝回填五道工序流水作業(yè)，確保每個分區(qū)作業(yè)時間不超過20d，最終總體工作占用絕對工期不超過20d。

5 結(jié)語

本分布式能源供暖項目的成功實施，為集中供熱不足或熱力管網(wǎng)不到位、燃?xì)庥媚艹杀靖叩葓鼍跋?，清潔供暖提供了可行技術(shù)路線。項目優(yōu)先采用地?zé)崮埽蛔闱闆r下采用空氣能，將分布式能源和熱網(wǎng)耦合供熱，提升了熱網(wǎng)的供熱能力、提升了項目的安全保證，實現(xiàn)”清潔低碳、安全高效“的綠色發(fā)展理念。