杜恩广,乔清海,吕义清,樊俊文

(1.北京市地质矿产勘查开发总公司,北京 100035;2.太原市国土资源局,太原 030009;3.太原市国土资源局 万柏林分局,太原 030024;4.太原市国土资源局万柏林分局,太原 030024)

根据我国首个地热发展规划《地热能开发利用“十三五”发展规划》,到2020年,我国地热供暖(制冷)面积将累计达16亿m2,新增地热能供暖(制冷)面积11亿m2。2020年地热能年利用总量7 000万t标准煤,其中地热供暖年利用量4 000万t。地热产业发展前景十分广阔,发展迎来了新机遇。

众所周知,地源热泵技术是地热能应用的核心技术,不论是浅层地温能的供暖制冷,还是中深层地热能的梯级利用,都离不开热泵技术。从2008年北京奥运会项目,2010年上海世博会上的世博轴,延伸至如今的雄安新区、北京城市副中心、新机场和冬奥会等一批重大项目,热泵地热能的应用越来越趋向于区域能源站的建设方式。

1 我国地热开发的新趋势

1.1 地热供暖制冷的市场空间不断增大

城镇化的快速发展促使地热产业市场空间不断增大。根据《中国建筑节能年度发展报告2017》,截至2015年我国建筑面积总量约为573亿m2,北方城镇地区供暖面积已达132亿m2,预计到2020年之前我国形成的建筑规模将达到700亿m2左右[1]。

2017年12月16日国家十部委共同发布《北方地区冬季清洁取暖规划2017-2021》,北方地区清洁供暖政策密集出台,为地热取代燃煤锅炉供暖提供了大好机遇。“传统的秦岭-淮河供暖线已经过时,南方冬季的阴冷天气异常难熬”,我国的夏热冬冷地区江河湖泊等水系发达,非常适宜地表水地源热泵系统冬天供暖、夏天制冷,以长江三角洲为代表的夏热冬冷地区的供暖需求日益增长。

1.2 地热供暖制冷的项目规模不断提升

传统意义上,热泵系统的项目主要针对办公建筑、商场酒店、医院等建筑供暖和制冷,规模相对较小,然而今年来,热泵浅层地温能的利用呈现出规模化、大型化的特点。在建的北京城市副中心以热泵浅层地温能利用为主,将实现300多万m2建筑的供暖和制冷。中深层地热热泵梯级利用的“雄县模式”,和规划中的雄安新区将实现地热供暖制冷千万平方米甚至上亿平方米的规模。

1.3 地热供暖制冷的冷热源形式多种多样

除了常规的浅层地温能地埋管热泵系统、地下水热泵系统和中深层地热梯级利用,热泵冷热源形式呈现多元化发展趋势。我国南方城市多沿湖、沿江、沿海而建,非常适合地表水地源热泵系统供暖和制冷;利用我国城市在建和已有的大量污水处理厂,采用污水(再生水)热泵技术的工程应用越来越多;以利用油田为代表的油田采油污水源热泵系统实现了油田及周边地区的供暖、制冷。结合我国煤矿生产工艺系统实际情况,利用已有的煤矿排水系统、通风系统,采用热泵技术将低品位的矿井余热转化成能够供暖的热源,取得了良好的效果。

从以上我国地热开发的新趋势不难看出,利用热泵技术进行地热开发已经从单一供暖、制冷的热泵项目发展到多能并举、解决区域能源的新阶段。

2 区域能源系统

区域能源(District Energy)概念是在20世纪初工业由“小而分散”向“大而集中”时代发展起来的,旨在高效满足区域内所有用能需求。“区域”可以是一个城市、一个工业区或大型住区,也可以是一个小区或建筑群,还可以是特指的开发区、园区等。涵盖从热电联产到集中供暖、区域供冷、供电等各种技术措施。

区域能源包括政策、商业模式、市场成熟度、技术积累和本地资源。服务商包括设备厂商、运营商、能源服务公司、电力企业以及相关机构,尤其是能源站运营管理服务商作用很大。重点从前期的单纯规划向建设、后期运营偏移[1]。

在供暖、制冷领域,区域能源系统像城市给水、电力一样是一项公用事业,是城市的基础设施之一,是为了满足某一特定区域内建筑群落的集中供冷、供热需求,由专门的能源中心集中制造冷水、热水等,通过区域管网进行供给的一个或多个大规模生活热水、中央空调冷热源系统。

由于各座建筑的空调负荷不可能同时出现峰值,因此设备的装机容量会小于分散设置空调机房时总的装机容量,从而有可能减少设备的初投资。由于采用规模化建设、专业化运营等措施,区域供能的能源成本要低于分散式空调机房的能源成本。

3 热泵能源站

3.1 热泵能源站的概念

地源热泵是以岩土体、地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。它是一种利用可再生能源——地下浅层地温能(包括地表水、地下水、土壤等)的既可供热又可制冷的新型高效节能空调系统。

热泵能源站一定是基于热泵技术的,根据服务对象项目所在地所具有的地热和浅层地热资源条件,采用多种多样的技术路线组合的能源站,有深层的地热梯级利用的能源站,有深层地热梯级利用+埋管地源热泵的能源站,也有地表水热泵、江水热泵或再生水热泵以及工业余热的地源热泵能源站,热泵能源站还可以是和燃气锅炉、蓄能电锅炉、冷却塔等常规能源搭配而成的复合能源系统。

3.2 热泵能源站的规模

热泵地热能的开发在我国呈现出爆发式增长,供暖制冷的面积和区域趋于规模化、大型化,呈现出区域能源的特点,那么热泵能源站该如何设置,是不是越大越好呢?

我们知道供暖系统由热媒、热媒输送管网和室内供热系统组成，常规的热媒热水供暖系统供、回水温度一般为95 ℃/70 ℃，温差25 ℃，大温差主要是可以有效降低管网的施工成本和能源远距离传输的损失。

然而热泵不是锅炉，热泵技术供暖常规出水温度在45 ℃～60 ℃之间，热泵机组热水侧出水温度每升高1 ℃，设备能效比COP降低3%，同时热泵供暖系统的供回水温差一般在5 ℃～10 ℃之间，根据热泵的出水温度特点和供暖温差，从保证系统能效比、有效降低热、冷等远距离能量输送损失的角度出发，热泵能源站的服务规模大约为20万m2～50万m2，最小一般不低于15万m2。

3.3 热泵能源站的实施条件

热泵能源站是基于项目所在地的地热和浅层地热地质条件而建,它的成功实施主要有以下三个条件:

1) 有稳定可靠的冷热源,如地表水、地下水、工业余热、可埋管区域等。

2) 相对集中的供暖、制冷需求和明确稳定的冷热负荷需求。

3) 能源站区域管网的规划能够可靠实施,且不易过远。

涉及公共设施和服务的规划一般都离不开发改委和规划局。热泵能源站规划在规模上还达不到城市级别,甚至是行政区级别,基本上是工业园区、住宅小区等园区级别,在服务功能上,也只是区域能源规划中供暖制冷这一个专项。这样一个规划往往容易跟城市现有规划架构不协调,或者不吻合。

按照天津市的经验[2],这些规划都是配合着规划局、规划院一起做的,是在城市总体规划中寻找潜在的深浅层地温能资源,包括污水处理厂、地表水等,根据这些资源的分布来决定这些可能的能源站的落地和实施。配合了城市总体的规划,我们的专项规划在落实上就好比上了保险。

4 热泵能源站技术应用探讨

4.1 整体规划,分步实施

每个能源站的规划服务规模一般都在几十万平方米以上,但并不是能源站一建成就全部投入使用,所以在规划之初就需要提前考虑周全。

在能源出处,深浅层地热能开发建设部分最好是按照规划一次建设到位,而在能源站房配置方面,则可以分期建设。比如能源站房内规划6台离心热泵机组,考虑前期使用率可能只有规划面积的50%,我们前期可以只配置3台机组的装机容量,而能源站房的面积、土建费用和深浅层地热能的能源系统需要一次建设完毕,避免能源管网的重复建设。

4.2 需求调查,降低投资

每个能源站服务的建筑群体使用功能不一定相同,可能有办公建筑、学校、医院、酒店和住宅等等,这些建筑物的逐时负荷需求不会同时到达最高峰,根据不同建筑单体使用时间及负荷的变化,综合考虑同时使用系数,减少设备总装机容量。

对规划服务区内的每栋建筑物的使用功能、空调面积、使用时间、负荷需求和变化情况尽可能调查清楚,圈起红线,统计列表,对号入座。同时对能源输送市政管网做出规划。

4.3 热泵为主,多能并举

4.3.1 复合式能源的特点

单一的地源热泵系统,尤其是地埋管热泵系统比常规的空调系统初投资高,同时存在占地面积大的特点;另一方面单一的地源热泵系统承担所有的空调负荷,可能会造成其从地下岩土体中取/排热量的不平衡,尤其是北方严寒地区和南方湿热地区,长期运行系统的运行效率会降低,节能性下降。

复合式地源热泵能源系统能够利用辅助供热或辅助供冷装置来满足高峰负荷,在维持地下岩土体冷热平衡的同时降低了系统的初投资,也提高了系统的经济性和运行的可靠性。

4.3.2 复合式能源的关键技术

复合式热泵能源系统的应用主要体现在以下四个方面:“深浅结合”“天地结合”“调蓄结合”“表里结合”[3]。

“深浅结合”主要是浅层地温能与深层水热型地热资源的结合,深层地热通过热泵技术,采用梯级利用的技术做到能源的利用最大化。

“天地结合”主要为太阳能(风能)与地热能的结合,尤其是与太阳能的结合。在初投资上,太阳能系统完全为增量成本,系统的初投资较高[4]。首先在经济许可的前提下最大限度的利用太阳能,其次这种复合技术适宜全年提供生活热水、冬季供暖和夏季制冷的全年综合利用场合,目的在于全年综合利用太阳能,避免闲置的同时还能增加集热器寿命。地源热泵与风能的结合在于风能可以给系统提供电力的供应。

“调蓄结合”中“调”为调峰,“蓄”为蓄能。调峰的意义首先在于系统的稳定运行,使能源的供应更加可靠,不论是“冷却塔调峰”还是”锅炉调峰”都有效地平衡了地源热泵系统取热量和排热量的差异;其次,调峰有效地削减了“本应由地源热泵承担的峰值负荷”,使得热泵系统只承担了系统60%～70%的基础负荷,一定程度上降低了系统初投资,提高了系统经济性。

“蓄能”可以有效地和电力系统的分时电价相结合,宏观上可以对电网“削峰填谷”,平衡电网负荷,微观上可以享受分时电价,节省大量运行费用。在系统搭配上,可以减少热泵机组的装机容量和功率达30%～50%,相应地减少地埋管的数量等热源的数量,降低电力投资,比如电力贴费、变压器和配电柜等。由于蓄能系统是利用晚上低谷电蓄能的,因此最适合于晚上电力低谷时无空调负荷(或负荷较小)的情况。

“表里结合”中的“表”为地表水热泵,典型的项目应用为上海世博轴复合热泵系统,大规模应用地埋管和江水源热泵的完全“绿色空调系统”。地表水极容易获取,又免去回灌问题,这种系统往往初投资最低,运行经济性最好。

4.4 能源站房的选址

能源站房选址主要考虑两个因素,第一要靠近供暖制冷的服务区,或者位于服务区中心位置,第二要靠近冷热源,便于取能。这两个原则既能减少冷热源系统和市政热力管网的初投资,同时还减少了能源在输送过程中的损耗。

这两个原则有时候并不协调,比如地热井的位置、污水厂、污水干渠的位置、江水、河流的位置、矿井的位置等,这就需要做很多方案选址,进行经济比较。能源站选址的时候,不论是冷热源管网还是热力管网,一定要考虑管网是不是必须跨越铁路、河流等特殊关卡,此类关卡甚至决定了系统的成败。

5 热泵能源站的经济性

在经济性方面,每个能源站的能源方式、搭配方式、初投资、资金成本(利息)、用户(办公、住宅、工厂、医院等)、运行方式(供暖、制冷等)和收费标准等的不同均影响着项目投资的经济性。本文举两个较典型案例:地埋管热泵能源站案例和地表水热泵能源站。

5.1 地埋管热泵能源站案例

5.1.1 项目简介

本案例在河北大厂金隅工业园,工业园占地67 ha,园区自主投资,主要为厂房供暖,厂房平均梁下高度9.1 m,还有园区办公楼和宿舍等。规划供暖方式以地埋管地源热泵为主,综合考虑了深层地热、工业烟气热回收、生物质锅炉和蓄能相结合的能源方式。

考虑到燃气成本的逐年上升和燃气供应不稳的特点,避免与工业生产 “抢气”,规划时未考虑燃气调峰。一期供暖面积12.7万m2,以地埋管热泵技术为主,采用了蓄能和生物质锅炉相结合的能源方式。

蓄能在该项目中除了使业主享受低谷电(高峰和低谷电价比3:1)的优惠外,更使得园区可以放心地白天生产用电,夜间蓄能用电,园区总变配电装机容量下降,园区感觉到了“意外的收获”。

5.1.2 经济性统计

在能量统计中,我们设置了峰谷平分段智能电表,可以分别统计系统在不同时段的用电量。通过对项目运行当年12月16日-1月15日电量及费用统计计算,我们得出系统的平均日耗电量如表1所示。

表1 蓄能式热泵系统平均日用电量统计表[5]Table 1 Average daily electricity consumption of storage heat pump system

以平均值计算一个月内每天夜间蓄能,白天放能工况,西区一个月供暖费为132 568.9元,东区一个月供暖费为121 358.4元,合计253 927.25元,以本计算方式为基准计算供暖季总供暖费为101万元,厂房供暖面积126 544.5m2,平均每平米单价为8.026元/m2(每月按30 d计算)。供暖季结束后,最终与使用方确认系统实际运行费不到8元/m2,考虑主要原因为系统在供暖季初期和后期负荷小,运行费降低所致。

项目所在地市政供暖收费标准为58元/m2,两者相比较,蓄能式热泵系统供暖运行费用比市政采暖节约运行费86.2%,节能节费显著。

5.2 地表水热泵能源站案例

5.2.1 项目简介

本案例为贵州省某地表水热泵能源站项目。项目规划面积50万m2,一期规划20万m2,主要为政府办公楼、酒店和游乐场所。项目采用BOT形式能源投资方式,建成后前两年内按50%使用率10万m2考虑,以后按20万m2计算,规划一期建成后4年开始建设二期至50万m2。

5.2.2 投资经济性核算

取项目附近江水地表水作为冷热源,取水点距能源站1000 m,周边服务建筑距能源站不超过2000 m。不考虑站房土建成本,该项目现金流量计算如下:

1) 现值(初投资)P=3 000万元,建设期1 a,运维年限n=20 a,利息为0。

2) 等额年金(每年的收益)A1=630万元,A2=1 260万元,计算如下:

项目每年制冷期6个月,供暖期3个月,运行成本3元/m2/月,收费标准10元/m2/月,前两年按照使用率10万m2计算,第三年开始按照20万m2计算,

A1=(10-3) 元/m2/月×9个月×10万m2=630万元。

A2=(10-3) 元/m2/月×9个月×20万m2=1 260万元。

3) 终值Fi为第i年末的现金总值

F2=P+2A1=(-3 000)+630+630=(-1 740)万元,

F3=F2+A2=(-1 740)+1 260=(-480)万元,

F4=F3+A2=(-480)+1 260=780万元>0,投资成本已收回,且盈利780万元,

F20=P+2A1+18A2=20 940万元(不考虑残值价值)。

4) 年投资回报率=(F20-P)/P/21 a=28.5%。

由此可见,一个好的地表水热泵能源站的收益率有点让人“出乎意料”。

6 结论

从我国地热开发的新趋势不难看出热泵能源站将是地源热泵未来发展的主要的形式。热泵能源站并不是越大越好,它的实施有一些具体的要求。热泵能源站是复合能源系统,是一个集多种能源方式和技术的综合体。从财务角度出发,一个好的能源站一定有一个好的投资回报。热泵能源站一定会得到越来越多社会资本的认可,地热开发将进入一个新的高度。

[1] 华贲.分布式供能与区域能源的异与同[N/OL].中国能源报, 2017-02-13 [2017-12-31]. http://paper.people.com.cn/zgnyb/html/2017-02/13/content_1750007.htm.

[2] 伍小亭.天津市基于热泵技术的综合能源站——实践与思考[J].建设科技,2017(2):45-46.

[3] 李宁波,李翔,杨俊伟,等.如何实现"地源热泵+"的模式[J].供热制冷,2017(11):58-62.

[4] 徐伟.地源热泵技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5] 杜恩广.蓄能式热泵技术在工业厂房中的应用[J].地源热泵,2017(10):99-105.