浅层地热能在既有能源站绿色低碳升级改造中的应用

周巧利,李志海,方姗姗,魏威

(1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司,长沙 410007;2.湖南省建筑设计院集团股份有限公司,长沙 410006;3.中核汇能(湖南)新能源有限公司,长沙 410006)

我国建筑能耗占能源消费总量的1/3,其中采暖和空调能耗占建筑总能耗的55%以上[1]。采用燃气锅炉或燃气直燃机供暖制冷成为近年来重要的供暖制冷方式,应用非常广泛[2]。但天然气的燃烧产生大量的碳氧化物,不利于国家“双碳”目标的实现,且当前我国天然气产供储销体系还不完备,产业发展中不平衡不充分问题较为突出[3],尤其冬冷夏热地区天然气资源缺乏,价格较高,采用天然气供暖制冷成本昂贵。2021年国家发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出,要积极发展非化石能源,实施可再生能源替代行动,大力发展地热能,因地制宜推进热泵、地热能等清洁低碳供暖。2022年《北京市碳达峰实施方案》指出,禁止新建和扩建燃气独立供暖系统,推动供热系统能源低碳转型替代,开展地热热泵替代燃气供暖行动。大力推进供热系统节能改造,逐步建立绿色低碳的热源结构。

浅层地热能,是指地下200 m以内蕴藏在岩土、地下水、地表水、城市污水等内部具有利用价值的热能资源[4],是一种绿色、低碳的可再生能源。我国具有极为丰富的浅层地热能资源,年可开采量折合标煤可达7×108t[5-6]。利用浅层地热能集中供能其运行成本仅为燃气和电能等供能方式的1/3[7-8],且不产生碳氧化物、氮氧化物、硫化物等,因此利用浅层地热能替代燃气供暖制冷是当今实现“双碳”目标的重要举措之一。

1.1 基本情况

本项目位于湖南省浅层地热开发利用试点区之一的望城,主要为办公建筑,总建筑面积18.5万m2,供暖制冷面积13.6万m2。现有能源站供暖制冷采用3台直燃式溴化锂机组,大机组2台(单台制冷量6 978 kW,制热量5 385 kW),小机组1台(单台制冷量4 652 kW,制热量3 582 kW)。溴化锂机组2014年投入运行,目前设备状态良好。根据实际数据记录,2022年能源站全年燃气用量约136.8万m3,用电量约148.5万kW·h。

1.2 供能分析

供冷季:5月15日～9月30日(6∶00～18∶00);供暖季:11月15日～次年3月31日(6∶00～18∶00),均为工作日开启。经过优创区域能源软件计算结果和实际运行情况,得出夏季总冷负荷13 911 kW,冬季热负荷10 720 kW;年供热量3 140 168.7 kW·h,年供冷量6 513 741 kW·h。

2.1 浅层地热能资源禀赋分析

根据项目场地附近所具有的浅层地热资源条件,分别从土壤地热能、地下水地热能、污水地热能、再生水地热能、江水地热能、湖水地热能等对冷热源方案的适应性进行分析,分析结果如表1。经分析,该项目可利用的浅层地热能为土壤地热能。

表1 浅层地热能资源禀赋分析

2.2 能源站设备主机配置

根据《湖南省住房和城乡建设厅关于公布2020年浅层地热能建筑规模化应用试点项目的通知》,试点项目要求浅层地热供能占比不低于40%。该项目公园内可敷设地埋管的场地有限,约17 000 m2。从土壤冷热平衡、浅层地热供能占比及投资经济性考虑,本方案按浅层地热利用占比达到40%设置地埋管和地源热泵。其他负荷不足部分,由燃气直燃机和冷水机组调峰补充。负荷分析结果见图1。

图1 冷热负荷分析

图1中阴影部分表示累计冷量和热量。系统热负荷在32%(3 430 kW)及以下时段,全年累计供冷和供热量占了全年总供冷供热量的40.4%,因此以系统最大热负荷的32%配置地源热泵,就能满足浅层地热能利用占比达到40%的要求。另外,系统冷负荷在60%(8 346 kW)及以下时间段,全年累计供冷和供热量占了全年总供冷供热量的87.3%,因此以系统最大冷负荷的60%配置电制冷机组,除去地源热泵能承担的冷负荷外,剩余电制冷负荷由冷水机组进行补充。而对于电制冷机覆盖不到的负荷,由于时间段较少,则使用直燃机调峰。这种方式实现了少开直燃机,也避免了冷水机组配置较大但基本上处于部分负荷运行,造成投资增加的情况。

以系统最大热负荷的32%配置地源热泵,新增地源热泵2台(单台制热量1 772 kW,制冷量1 582 kW),冬季以地源热泵运行为主,供热不足时由原有的燃气直燃机调峰补充。夏季以最大冷负荷的60%配置电制冷机组,除去地源热泵制冷外,另新增1台冷水机组(制冷量4 572 kW)。夏季以地源热泵制冷为主,供冷不足时按顺序利用冷水机组、直燃机调峰补充。能源站的设备配置见表2,浅层地热能供能占比见表3。

表2 新增冷热源主机配置

表3 浅层地热能供能占比

为了维持土壤冷热平衡,浅层地热全年供冷、供热量应相等,夏季多余的热量通过冷却塔散到空气中。冬季热泵机组供热时,土壤实际取热量为195.8万kW·h(除掉机组散热),因此浅层地热全年供冷供热量总计为391.6万kW·h。能源站全年供冷供热量为965.4 万kW·h,浅层地热供冷供热占比为40.4%。

2.3 室外地埋管设置

采用垂直地埋管系统,根据热物性测试报告得知单位延米换热量为45.2 W。经过地源热泵设计软件热平衡计算所需钻孔数量为566个,单个钻孔深度为100 m,钻孔直径130 mm,双U型管,钻孔间距5 m×5 m,地埋管占地面积约14 150 m2。根据地源热泵软件模拟,地源热泵运行20年后地下土壤温升1.1 ℃,满足土壤热平衡的要求。

1)经济效益

原有燃气溴化锂机组供能系统燃气耗量136.8万m3/年,用电量148.5万kW·h/年;采用土壤源地源热泵改造后,燃气耗量24.3万m3/年,用电量267.1万kW·h/年。根据2023年湖南天然气价格、电价政策(天然气价格为4.375元/m3、电价0.634元/(kW·h)),则改造前运行成本692.6万元/年,改造后运行成本275.6万元/年,能源使用成本节省量达到417.0万元/年,节省比例达到60%。项目新增投资2 320万元(含土建、设备、安装等费用),增量投资回收期约5.6年。

2)环境效益分析

浅层地热能属于可再生能源,地源热泵运行过程中不排放污染物和产生温室气体。原有燃气溴化锂供能方案,标煤年耗量约为2 276.8 t,CO2年排放量约4 442.6 t。采用土壤源地源热泵改造后,标煤年耗量约为1 145.9 t,CO2年排放量约3 196.3 t。标煤耗量减少比例达到49.7%,CO2排放量减少比例达到28.1%。

3)社会效益分析

利用浅层地热能替代传统燃气供暖制冷,减少了燃气消耗,降低了碳排放,能助力我国“双碳”目标的早日实现,也对全国实现浅层地热能建筑规模化应用起到引领示范作用。

以浅层地热能替代传统燃气供冷供热,既经济节能又低碳环保,符合国家“双碳”战略目标要求。在长沙市新的天然气政策下,采用土壤地热能替代部分燃气供暖制冷后,节省运行费用417.0万元/年,节省比例达到60%。标煤耗量减少比例达到49.7%,CO2排放量减少比例达到28.1%。

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