多种能源形式能源站设计研究_陆义.pdf
区域供热２０１７．１期 多种能源形式能源站设计研究 天津大学建筑设计规划研究总院陆义杨成斌 金 伟李楠 【摘 要 】能源站应结合当 地能源条件 ，充分利 用节能环保的能源形式 ，并合理 配 比 。 以 一 个实际的多能源形式的能源站为例 ，探讨多种能源形式综合利用 时 能源的选 择与配比 ，及其运行策略。 与传统的电制冷加锅炉供热的能源形式势相比 ，多种能源 形式能源站更经济 ，安全性更高 ，更节能环保。 【关键词】能源站 可再生能源 设计 运行 策略 ＤＯＩ编码 １０ ．１６６４１／ ｊ ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１ １ ３２ ４ １／ｔｋ ．２０１７．０１ ．００６ ０ 引言耗。首先由两家医院及设计单位提供需求，结 随着能源、环境压力日益增大 ，节能减排合相关标准及工程经验对冷 、热负荷进行统 势在必行。在城市发展过程中，区域供热供冷计与分析，为接下来的工作提供数据基础。 的模式因其对能源 的合理有效利用而越来越 受到青睐 ，新建城区 、功能区及大的建筑群也 ＇ 行政地下医 越来越多选择自建能源站 ⑴ 。对于寒冷地区，门急诊 住 院部 办公疗用房 合计 有夏季供冷与冬季供暖的需求，能耗大，也相 建筑面积ｍ ２ ８００６０８１５２０３ ８９５ ０１８ ５ ８０１８００００ 应有着较大的节能潜力。能源站不仅应满足 服务范围内的能源供给 ，更应结合当地能源冷 负荷ｋＷ１０４１０８１６０３５００１３００２３３７０ 条件 ，合理、充分利用可再生、清洁能源，以利冷负荷比例４５％３５％１５％５％１００％ 于能源的可持续利用。在本文的工程实例中 ， 认八＜丨，丨丨Ｉ，，油批从热 负荷 ｋＷ７２１０６９３０３１２０１１２０１８３８０ 综合利用了地热井水 －水源热泵 、土壤源热 栗、流态冰蓄能、太阳能热水以及燃气锅炉等热负 荷比例３９３８１７６％１００％ 多种可再生、清洁能源，能源供给安全、节能、生活热水２７０ｍＶｄ ，５６９０ｋＷ 经济、环保 ，具有 一定的参考价值 。 １ 医院能耗统计与分析表１中冷热负荷均为峰值负荷 ， 而实际 本文以天津某新建能源站为例 ， 具体分情况下 ，峰值负荷出现频率较低。在相当比例 析能源形式的选用 、配比及运行策略。本能源的既有建筑中 ，空调机组满负荷运行的情况 站向两家大型综合医院供冷供暖及部分生活只占其运行寿命的 １％￣５％ ，多数工况下低于 热水。两家医院相邻，能源站规划在两家医院８０％峰值负荷 ［ 。在天津 １２０天的供暖季中 ， 交界处 ， 以缩短能源输送距离 ， 降低输送能只有 １０天左右满负荷运行 ， 多数情况低于 － ３ ５ － 区域供热２ ０１７．１期 ８０％峰值热负荷。离均在 ２ｋｍ以上， 不影响本能源站开凿地热 此外 ，根据天津气象资料 ，近年来天津四井。 地热井水是清洁环保的可再生能源，系统 季平均最ｋ气温变化趋势较复杂 ， 冬季增温能效比很高，节能效果显著 。能源站西北侧已 显著 ，夏季降温显著 ［３ ．４］ ，故不应只考虑峰值负开凿地热井的 出水量ｌＯＯｍＶｈ ，动水 位 降只有 荷。在本能源站中，选用多种能源形式共同供７ ．１３ｍ ，远小于国家规定的 ２０ｍ。经探査核算 能，将８０％峰值负荷作为重要参考依据 ，设计后，本地热井按出水量 １２０ｍ ３ ／ｈ配置设备。 可再生、经济的能源形式满足 一般条件下的地热 井水梯级利用系统 （简称地热）中 ， 冷热负荷 ，并辅以常规能源形式 ，保证峰值负地热井水 一 次换热从 ８３Ｔ降至４１Ｔ ， 得热 荷下的能源供给。５８６０ｋＷ ，作为供热热源 。地热井水二次换热， ２ 能源站的方 案论述水温从 ４１丈降至８１ ，提供水源热泵机组 ７尤／ 医院主体功能区采用集中供冷与供暖， ２３＾的源水２４７ｍ ３ ／ｈ。水源热栗源水侧采用串 为提髙能源利 用效率，采用大温差供回水设联连接 ，增加第 一 台机组能效 １３％ ，降低源水 计。夏季集中空调供回水温度为 相侧水泵流量５０％，节能效果显著。 两台串联水 比常规５Ｔ供回水温差 ，该工况可减少系统总源热泵机组冬季提供热量 ５６００ｋＷ ，夏季提供 流量，减少初投资及运行费用。 在设计合理的冷量 ４７００ｋＷ， 即地热系统提供热量 系统中 ， 适当增大供回水温差可以提高系统１１４６０ｋＷ ，冷量４７００ｋＷ。 能效 ，但能效增加程度受设备影响很大 ［５］ 。本２ ．２土壤源热泵系统 案例中 ， 通过对主流设备厂家提供的资料计土壤源热泵系统 （简称地源热泵）属清洁 算，采用该供回水温度，相比 供回水环保的可再生能源，地源热泵能效较高 ，适用 工ｋ ，冷机效率降低 约 ３％ ￣３ ．７％ ，但输送效率于有供冷供热需求的建筑 。天津大 七 推广浅 约提 高２０％ ￣２５％ ， 且热栗机组无需改动，节层土壤源热泵系统 ， 对优质项目进行政策补 能效果显著。冬季供回水温度为 ４７／４ ０＾ ，在贴。 ＿ 水源热泵机组和地源热泵机组能效比最佳温由 于地热的冬季供热量远大于其夏季的 度范围内。此外，供暖和供冷温 差相同 ，便于 供冷量，故以地热与地源热泵共同承担全部 设备选型、管路设计与运行管理，提高能源站热负荷 ，即地源热泵需承担 ６９２０ｋＷ。据此设 及单体建筑的节能效果。计的地源热泵夏季可供冷 ６５００ｋＷ ，不足部分 本能源站充分考虑所在地区 的能源形通过冰蓄冷及电制冷补充 。适当减少地热与 式，结合医院自身能耗需求的特点 ，设计多种地源热泵所 占能源比重 ， 也可以减小这两种 能源综合利用的能源站。所在地区有丰富的能源系统检修 、故障时对整个能源系统的影 地热水及浅层地热资源，故以这两种能源为响 。该地源热泵需室外地埋管井 １５００个 ，占 主。利用峰谷电价机制 ，设计冰蓄冷系统 。利地４２０００ｍ ２ 。 用天津地区丰富的太阳能和医院充足的屋顶２ ．３ 流态冰蓄能供冷系统 面积 ，设计太阳能热水系统 。为保证设备故障由上可知 ，夏季有 １２１７０ｋＷ的供冷 缺 与极端天气条件下的供热及生活热水需 求 ， 口 ， 而增大地热或土壤源热栗 ， 不仅增加投 设计调峰补热燃气 锅炉系统。合理搭配各能资 ，更会造成冬季供热能力 的浪费 ，因此设计 源形式 ，使能源供给安全、节能 、经济。电制冷负担冷负荷缺 口 。 ２．１ 地热井水梯级利用系统天津市执行峰谷 电价政策 ，鼓励用户采 项目所在地有多个雾迷山组地热井开采用蓄能 技术进行削峰填谷 。由表２可知，天津 的成功案例 ， 且能源站选址与已有地热井距峰价电费是谷价的 ２．８倍 ，虽然 一般情况下冰 ３６ 区域供热 ２０１７ ．１期 表２天津峰谷电价表 ３各能源形式生产生 活热水成本比较 ７００ －８ ００ － １１ ００ －１ ８００ －２３ ００ －热 叫 热水产＊＾ ８００１１００１８００２３００７００形式费 用 ，元／吨 ｌｈ ，３ｈ，７ｈ ，５ ｈ ，８ｈ，运行 成本低 ，为可再生能源，初期 电价 平价峰 价平价峰价谷价烟 能１〇－１５ 投资较大 ＾ ０．９００１．３４５０．９００１．３４５０．４７４地热水运行成 本较低 ，初 期 投 资较大，不 （ｋＷ －ｈ ） ｜｜ １７ 利于地下水资源保护 燃气运行 成本较高 ，后期燃气价格上 蓄冷系统由于制冰主机ＣＯＰ降低 ，及蓄 冰与锅 炉 ２０￣２２涨 压力较大 ，初投 资较低 换热中的热损失 ，耗电量较常规电制冷系统 增加约 ３０％ ［６］ ，但结合电价机制 ，其运行仍非 电热 ２９ ＿ ３〇 运行 成本较髙 ，安 装灵活 ，管理维 水器护工作量较大 ，不宜用在住 院部 常经济。丨 本方案中采用流态冰蓄能技术。不同于 冰盘管或冰球 ，流态冰作蓄能技术具有蓄冷源体系 。 密 度 大 ，流动性好，传热性能 强，融冰降温速本能源站 为医院住院部定时集中供应热 度快的特点。流态冰的冰晶不会附在换热表水 ，水温 ６０ ，供应量 ２７０ｍ ３ ／ｄ ，耗热量 面 ，蓄冰池不需要特定形状，适应 性强，冰晶５６９０ｋＷ。 设计太阳能生 活热水系统 ，秋季 日 换热面积大。融冰迅速、彻底 ，可提供低于０Ｔ产 ５０丈热水１８〇ｍ ３ ／ｄ ，需 ４５００ｍ ２ 屋顶面积。 的冷源 ，适合低温送风，大温差供 回水系统 。此时生活热水仍有缺口９０ｍ ３ ／ｄ ，而夜间 有文献表明流态冰的制 冰能效比传统制冰方医 院供热负荷明显减少 ，地热热量供大于需， 式提高 ３０％以上 ［＇ 在工程中流态冰蓄能系旁流部分地热井水进行换热储热 。设容积为 统能效也能提高１３％以上 。２００ｍ ３ 的储热水箱 ，补充生活热水的供应缺 因此 ，结合天津峰谷电价政策，本能源站口 ， 同时解决阴雨 天气太阳能产热水不足问 采用流态冰蓄能供冷系统。采用 一 台制冷量题 ，保证生活热水的供应。 ６３００ｋＷ ，蓄冰制冷量４８６ ０ｋＷ 的电制冷主机 。２ ．５燃气锅炉调峰补热系统 夜间谷电时制冰７ｈ ， 总蓄冷量 ３４ ０２０ｋＷ ． ｈ ，燃气属清洁能源 。相比地热及地源热泵， 日间冷负荷高峰时释冷４ ｈ ， 可提供冷量燃气热 水锅炉初投资很低，但运行费相对较 ８５０５ｋＷ。与地热系统 、土壤源热泵系统共同髙 ，且有燃气价格上升的压力。利 用其初投资 工作 ，提供冷量 １９７０５ｋＷ ，满足８４％峰值冷负低 ，供热量大的特点，作为调峰补 热系统，以 荷 。若出现极端天气需供应峰值冷负荷，或某较小的投资 ，获得较大的能源保证。 个系统故障的特殊情况，可开启蓄冰主机供在本能源站 各能源形式中 ，地热供热量 冷 ，满足供冷需求。 １ １４６０ｋＷ ， 占峰值热负荷的４９％ ， 是主力热 ２．４ 太阳能生活热水系统源。地热系统长期运行中，存在故障检修的情 天津是太阳能资源良好地区 ，年辐射总况 ，能源站的供热 能力将大受影响。检修期 量５０２０ＭＪ／（ｍ ２． ａ） ￣５８６０ＭＪ／ （ｍ ２． ａ） ，可 利 用 资间 ，地源热泵负担热负荷６９２ ０ｋＷ，供热缺口 源丰富 ， 且两家医 院屋顶有充足的屋顶面积为７８００ｋＷ。通过减少附属用房的新风量 ，减 可资利用。由表３可知 ，以太阳能生产生活热少热负荷 ， 以８０％供热负荷缺口设计燃气锅 水成本最低 ，故将太阳能纳入本能源站的能炉 。选取９吨模块式燃气热水锅炉 ，提供热量 － ３ ７ － 区域供热２０１７．１期 ６３００ｋＷ ，同时该锅炉也满足住院部生 活 热水表 Ｓ供冷运行策略 ５６９０ｋＷ的能耗需求。 能源系统 ｜供冷量｜ 一般负荷 ｜ 峰值负荷 该燃气热水锅 炉以较小的投资 （约占总名称ｋＷ ｖ名梆ｋＷ ｉ８６９０ｋＷ２３３７０ｋＷ 投资的３．５％），保证了任 一种 能源系 统发生 故障或出现连续阴天、雨雪等极端天气时的ａｃ胃 ＆８５０５４６％ ３６％ 供热与生活热水需求，大幅度提升了能源供 给的安全性 。冰蓄冷 综上 ，本能源站中各能源形式及其供冷 、＋地源热泵 １５００５８〇％６６％ 供热及生活热水量见表４。 冰蓄冷＋地源热栗 ＾２０１２５１０８％８６％ 表４备能源形式及其供能量＋地热 ￣ 供冷量 ￣ ｜ 供热量 ｜ 热水冰蓄冷＋地热＋地源 ａｙ ｋｗｋｗｍＶｄ齡制 冷 主机 ２６４２５ 地热井水梯级利用系统４７００５８６０＋５６００２００士 表６供暧运行策略 土壤源热栗系统６５００３４６０ｘ２ ｜ｇ源系统供热 峰值负荷 －般负＃ 夜间 负荷 流态冰蓄能供冷系统８５０５（＋６３００） ｋＷ １８３８０ｋＷ１４７２０ｋＷ１１５２０ｋＷ 太阳能生活热水系统１８０地热一级 ３２％Ｗ％５１％ 换热 ５ ８６（５满足过渡季供热及兼顾 燃气锅炉调峰补热系统６３００ ＇ 生活热水换热窬求 地热系统１ １４６０６２％７８％９９％ ３ 能源系统运行策略 本能源站有五种 能源形式 ，想要实现能地热＋ １台 １４９２〇 ８１％１〇１％１Ｍ％ 源的安全 、节能运行，需要根据冷热负荷的变職顏满 足多数室外条件时的供热需求 化 ，确定某种或某几种 能源形式的启停，制定 合理的运行策略 ，为能源站的自控系统设计１８ ３ ８０１００％峰值负荷 ，满足总热负荷需求 源热泵 提供依据。 根据室外条件 ，供冷开始 时，首先启动运燃气热 水满足生活热水 ５６９０ｋＷ热童酱求 ６３００ 行成本最低的流态冰蓄能释冷系统 ，随着冷＊季连 ＃明力和雨雪天气使用 负荷的增加，逐渐开启地源热泵系统，以及地 热系统 ， 此时可以满足绝大部分时间 的供冷 地源热栗７２％ 需求。若出现高温天气 ， 开启冰蓄冷制冷主 ＋燃气热１３２２０新风 量 机 ，可提供 １１３％峰值负荷的冷量 ，详见表５。水锅炉 ” ＾斑 面批执会暑洳 此外 ， 在供冷负荷较大时 ，任何 － 台机驗储热 水箱制备生活热水 障，也可开启制冷主机，保证供冷的安全。 供热运行策略 ，详见表６。在过渡季，开启地再逐台开启地热系统的水源热泵 ， 增加供热 热井水 一级换热 系统即可满足供热需求，并量。热负荷再增大 ，再开启 １ 台地源热栗机 兼顾生活热水 。在供热季，随着热负荷增 加， 组 ，可满足多数室外条件下的供热需求。若热 － ３８ － 区域供热２０１７．１期 负荷达到峰值 ，则 完整开启地热与地源热泵的特点，合理搭配，以可再生的、经济的能源 系统。在运行中地源或地源热泵系统出现故形式为主力 ，优先使用；设置供热保障率高的 障检修时，供热缺口通过燃气锅炉承担，逐模清洁能源，保障供热的安全性。 块开启燃气热水锅炉，保证供热的安全性。４ 能源站方案对比分析 综上 ，由单 一 能源向多种 能源形式发展 ，将本能源站方案与常规的电制冷加锅 炉 多种可再生能源综合利 用。根据各能源形式供热的能源站方案进行对比 ，见表 ７。 表７多能源形式能源站 方案与常规能源站方案比较 本方案常规能 源站 １ ）利用多种可再生能源，具有很髙的环保意 义，是 一种 可持 １）能源系统较为 简单，各 种设备及配套设备成熟， 续 发展的建设模式不少设备已有很高能效 优 点２ ）能源 利 用效率髙 ，运行费用低，经济效益明显２）受当地条件影响很小 ，适用范围广泛 ３）能源供给的安全保障率高３ ）易 于设计建设以及运维管理 １）初投资大，地热井的建设质量对能源系统影 响较大，对设１）主要消耗不可再生资源 ， 不利于长 久 、可持续发 计及施工要较高展 ２）各 能 源形式之间配合复 杂 ，控制策略复 杂，自控系统要求 ２）运行费 用 髙 ，污染物排放明显多 于 可再生 资 源 ， ＾ 高不利于环境保护 ３）需要专门人员进行运行维护，对工作人员要求较高 该多种能源形 式综合利用能源站初投资现阶段，我国分布式能源站发展迅速，但 更高，约为７６４０万元。在同 一地点 ，新建相同仍多以常规能源站 为主，在 一定程 度上增大 供热 规模的传统能源站约需５１５０万元 ，本方了环境的压力，特别是在大城市中，影响更为 案髙出２４９０万元。但本能源站运行费 用更明显。多 种能源形式综合利用能源站 是在充 低 ，年运行费用约为 ６２５万元 ，相比常规能源分调研当地能源条件基础上， 对能源站所服 站 １ １９０万元的年运行费用 ， 降低了５６５万务的建筑或建筑群进行能耗分析后 ，确定各 元。计算可得出 ，静态投资回收期为４．４年，而能源形式，对其负荷比重进行合理分配，以实 本能源站的设计年限为 ２０年 ， 经济效益明现各能源形式充分发挥其效能 ，在互为 备用， 显。互为保障的条件下 ，尽可能增大地热资源、地 此外 ，本能源系统建成后，相比传统燃气源热泵等清洁、经济能源的比重 。本文通过分 锅炉的供热方式 ， 每年可节约标准煤２６９７析与实际案例结合 ，将多种形式能源综合利 吨， 每年减少向大气排放二氧化碳６７２４吨 、 用设计特点总结如下 二氧化硫 ２０２吨 ，氮氧化物 １０１吨 ，粉尘 １８３４１）充分调研当地能源形式 ，选择经济、环 吨。保的能源形式 。在本能源站设计中，地热井水 综上 ，本能源站 各供能形式，相互配合， 梯级利用系统占有最大比重。地热的经济性、 互为备用 ，在能源的使用效率、供能的安全稳环保性远高于其他几种 能源及常规能源。 定性 、环境友好性等多方面均存在较大优势，２）能源形式的选择 、负荷比例的分配应 具有 一定的参考 意义。以服务对象的需求及其变化规律为依据。本 Ｓ总结能 源站方案中 ，设置了多个能源形式，根据负 － ３９ － 区域供热２ ０１７．１期 荷的变化启 闭、增减能源的投入 ，优先使用节 ［２］郑忠伟 ．基于需求与能力管理的医院服务运作管 能环保 、可再生能源。各能源间既可以相互配理研究 ［Ｄ］ ．西南交通大学 ，２〇 １３． 合 ，又互为备用，保证能源供给的安全、节能 ［３］张岩宝 ， 白雪莲 ，田智华，吴 利均 ．空 调系统 动 态运 与疫济 行能效的探讨 ［Ｊ］．制冷与空调 （四川），２００９，０４ ３ ）能源站采用多种 能源形式 时，由于其 「 “ｕ 一ｍ［ ４ ］刘敬乐，姚 青，蔡子颖，樊文雁，穆怀斌 ．天津地区 ＪＳ订时各Ｉ能娜式间 的切换与配口ＳＳ较常气候舒 适度变化特征及分析 ［Ａ］ ．第３１届中 国气 规能源站复杂 ，因此对其自控系统要求较高，象学会年会 Ｓ１１第三届城 市气象论坛 一城市 与环 应有受培训的专业人员进行运行 、维 护，以保境气象 ［Ｃ］ ．天津市气象科学研究所 ，２０１４ １０． 证其正常运行。［５ ］吴海平 ．区域供冷系统冷冻水 供回水温差优 化研 究 ［Ｄ］ ．湖南大学 ，２０１３ ． 参 考文献［６］马宇 驰 ．冰蓄冷空调的经济性分析 ［Ｄ］ ．西安建筑科 技大学 ，２００５ ． ［１］韩 传忠 ． 一 种区域供冷供热系统 能耗模拟方法的［７ ］闫俊海 ，张小松 新型流态 冰蒸发制冷循环及制冰 研究 ［Ｄ］ ．大连理工大学 ，２０１ １．量性能分析 ［Ｊ ］ 低温工程 ，２０１ １，０６ １ １ － １５． ＷＷＷＷＷＷＷＷＷＷＷＷＷ－Ｕ－ＷＭＷＷ．Ｍ４ ＾ （上接第 ２９页 ） 和相似性 ，作为热计量装置的流量传感器［容作；该系统与现有热表兼容。 积法 ］ ，②作为室内温度调控的调节机构［以总之，由于供暖分户计量调控装置综合 泵代阀 ，节流损失 ＝０ ］，③作为系统调控装置应用了容积泵的计量调控功 能， 所以能够建 ［调节平衡，末端增压］ 。由于充分发挥了容积立全网分布式输配供热Ｗ ］ ，并且实现０节 泵的计量调控功能 ，该装置有以下功能特点流，０过流，０过热，抄表０布线。 因此 ，采用该 １ ）以泵代阀，０节流，可实现全网分布式装置既 可确保舒适节能， 又能简化系统及安 输配系统供热 ，本身就有明显的节电效果。装维护，降低造价。 ２）容积泵不但有升压能力 ，而且当资用 压头过髙时 ，也可有节流作用，甚至可以反 转。 因此 ， 对系统不平衡的双向调节能力很 ［１］魏新利 ，付卫东，张 东 栗与风机节能技术 化学工 强 。 同时 ，齿轮栗有 一定 的自动吸程 ，使用更业出版 社 ，２０１０ ．９ 加方便。 ［ ２］任海勇 ．纯水液压外啮合齿轮泵的研究 ．昆明理工 ３ ） 采 用稳定可靠的体积法 测量流量 ，大学 ，２０１０年 可按流量计标准进行标定。利用本文介绍的［ ３］王强纯水液压齿轮泵及试验系统研究．昆明理工 宏观相似可以大大减少流量标定和温度修正ｔ ＃ ，２〇〇３ ［４］西安交通大学流体力学教研组，华中工学院水力 ４ ）齿轮栗能麵糊状污垢 ，只要用配套 机械教麵 泵与风机 中 国工业出版社 ＾＾７．ＺＺ，＾Ｚ１ｍ１＾［ ５］石兆玉 实施分布式循环供热系统时应注意的几 过滤器猶大颗粒沙 ，就娜麵流删量个问＿ 区域供热 ，２０１３⑵ 长期准确可靠 ；而且 ，可以用反转冲洗污垢。 ［６］石兆玉 全网分布式输配供热系统的优越性 ［Ｊ］ 区 ５）可用系统设计和软件报警处理违规放域供热 ，２０１３（４） 水等不文明行为。［６ ］唐向 阳 ，郑 华文，刘 剑 雄，袁子荣纯水液压齿轮泵 ６）可实现中央优化调度和授权手机操的结构问题研究 ．液压与气动 ，２００２（９） ． － ４０ －
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