中深層地熱+多能互補供熱系統在冀南某大學的應用研究

牛國慶,許 超,鮑玲玲*,劉俊青,郭海明,劉 偉

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院,河北 邯鄲 056038;2.河北省暖通空調工程技術創新中心,河北 邯鄲 056038;3.中國煤炭地質總局水文地質局,河北 邯鄲 056004;4.河北省科學院能源研究所,河北 石家莊 050081)

目前,我國以燃煤和燃氣鍋爐為主的供熱形式,存在能源高質低用,季節峰谷問題突出,供能形式單一,碳排放量大等問題[1]。尋求一種既能滿足不斷變化的能源供應結構和用戶需求,又能促進能源系統資源高效利用、低碳、環保、經濟的多能源互補分布式能源系統,已成為未來能源發展的主要方向[2]。因地制宜地利用當地的可再生能源,提高清潔能源占比的供能方式已成為緩解能源與環境問題的必由趨勢[3]。建筑作為終端能源消費的重要載體,其能耗是全社會能耗的重要組成部分[4]。冬季供暖和生產熱水是建筑能源需求中最重要的能源消耗[5]?？稍偕茉吹睦煤烷_發是建筑行業節能和減少碳排放的關鍵[6]。然而,可再生能源具有間歇性和不穩定的性質。將可再生能源的綠色性與常規能源的穩定性相結合是解決這一問題的有效方法[7]。煤炭、天然氣等能源碳排放量較高、儲量有限;太陽能、風能等可再生能源對環境友好,但受環境影響較大;地熱能作為可再生能源具有儲量豐富且不受天氣影響的優勢,采用地熱能與其他能源聯合供暖方式,利用多能互補的運行策略,改善能源供給側與需求側在時間空間不均問題,提高能源利用率[8]。Ma等[9]對多能源互補供暖系統的研究結果表明:與傳統的集中供暖系統相比,其節能率約為30%。

在地熱條件良好的地區,因地制宜采用地熱能+多能互補的供暖模式,既可減少長距離輸送過程中的能源損耗與輸送設施投資,實現能源的就地生產與使用,又可減少煤炭等化石能源的消耗,減少碳排放。本文以冀南地區某大學中深層地熱+多能互補聯合供熱工程為例,介紹其工程概況、總體規劃與實施方案,并評估其經濟環境效益,以期為多能互補綜合供暖系統研究提供參考。

1 項目概況

該項目為大學校區供熱工程,建設有3個能源站,其中1號能源站采用燃氣鍋爐供熱,3號能源站采用中深層U型地熱井技術,配以燃氣鍋爐為補充,4號能源站利用淺層地熱冬季供暖夏季制冷。生活熱水系統供應洗浴用水量約410 t/d,采用太陽能+污水源+燃氣鍋爐供應,滿足4個學生社區洗浴熱水需求?？偼顿Y約1.2億,2019年9月全部投入運行,項目計劃運營20年。

2 供熱方案

2.1 能源設計

該大學校區占地面積較大,建筑體分區集中,位于安陽—邯鄲斷裂東盤,本區地熱田屬于典型的沉積盆地型,第四系覆蓋層下發育有中上元古界巖溶裂隙熱儲,古近系東營—沙河街裂隙熱儲,寒武—奧陶系巖溶裂隙熱儲,新近系明化鎮—館陶組熱儲等熱儲層[10]。地熱條件較好,中深層地熱較淺層地熱溫度更高、單井取熱量更大、占地面積更小,在負荷較大、面積有限的供暖區以采用中深層地熱“取熱不取水”的技術為主,其他能源作為補充,是一種高效環保的供暖方式;學校圖書館周邊面積較大,可大量埋設淺層地埋管利用淺層地熱對周邊建筑進行清潔供暖;最后利用燃氣鍋爐對剩余建筑區進行供暖補充。此外,學校師生3萬余人,洗浴用水量大,洗浴污水中存在大量低品位余熱,利用污水源熱泵進行余熱回收利用,與太陽能互為補充,以燃氣鍋爐作為備用熱源供應熱水。具體供熱負荷及能源方案如表1。

表1 供熱負荷及能源方案Tab.1 Heating load and energy program

2.2 能源站建設

根據總體規劃、分布式實施,按照資源高效利用、低碳、經濟原則分區設計建造能源站,因地制宜利用地熱能、太陽能等可再生能源,以天然氣和洗浴污水余熱為補充。如圖1所示,各能源站分布式實施,互聯互通,形成有機聯動、互為補充、相互保障的合理布局。每個社區或學院均采用同程設計,保證水路水力平衡,防止供熱死角。

圖1 能源站分布圖Fig.1 Energy station distribution diagram

2.2.1 1號能源站

該能源站供暖包括學生公寓、食堂、體育館、學院樓等建筑,設計日峰值熱負荷14 MW。該供暖區位于學校西北,建筑較為密集,采用5臺2.8 MW真空燃氣鍋爐進行供暖,該鍋爐采用全預混完全冷凝技術與羽翼式換熱管,能明顯提升換熱管性能,比傳統真空鍋爐節能20%以上。

2.2.2 3號能源站

該能源站設計日峰值熱負荷為14 310 kW,根據建筑使用性質分為三個環路:教學樓環路、學生公寓環路和學生食堂環路。以中深層地源熱泵系統為主要熱源、以燃氣鍋爐系統為輔助或備用熱源,采用一對中深層地熱U型閉式地熱井,該地熱井較同軸套管式換熱器單井熱提取能力更強。鉆井時埋入分布式光纖對地層溫度進行監測,測得1-1井井下2 000 m處溫度為67.8 ℃,2 125 m處溫度超過70 ℃,2 450 m處溫度可達78.3 ℃以上,地熱條件良好。

本系統設計了兩臺高溫熱泵機組(制熱量均6 MW),該系統在設計施工時,將蒸發器和冷凝器分別并聯連接,以便在低溫負荷下任一臺機組均可單獨運行。另設計兩臺4.2 MW燃氣鍋爐(供熱量8.4 MW)作為補充熱源,預留兩臺4.2 MW燃氣鍋爐的位置。換熱系統運行時,低溫取熱流體從注入井注入埋管換熱器,在管內與地下熱儲層換熱后變為高溫流體從采出井流出,進入板式換熱器進行第一次熱交換,再經過高溫熱泵機組二次換熱使水溫提升至設定溫度后供給到采暖用戶,若供熱量或供水溫度不能滿足供暖需求時,利用燃氣鍋爐作為補充熱源,保證供暖穩定。3號能源站換熱系統原理見圖2。

圖2 換熱系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of heat exchange system

2.2.3 4號能源站

此能源站冬季日峰值熱負荷為15 834 kW,夏季最高冷負荷達到19 979 kW。供暖建筑為行政樓、校圖書館、教學樓等。機房內配備有5臺4 200 kW離心式熱泵機組,另配有5座冷卻塔,夏季可用于承擔部分冷負荷[11],保證夏季制冷量,各熱泵機組冷卻塔互為備用。

根據《地源熱泵系統工程技術規范》[12]和文獻[13]推薦方法,制冷工況下,地埋管鉆孔長度為

(1)

(2)

供熱工況下,地埋管鉆孔長度為

(3)

(4)

式中:下標c,h分別表示制冷/供熱工況;L—所需鉆孔總長度,m;Q—熱泵機組的額定負荷,kW;EER/COP—制冷/供熱性能系數;tmax/tmin—制冷/制熱工況下,地埋管換熱器中流體的設計平均溫度,℃;t∞—巖土體初始溫度,℃;F—制冷/供熱運行系數;Rf,Rpe,Rb,Rs,Rsp—分別為管內對流換熱熱阻,管壁熱阻,回填材料熱阻,地層熱阻,附加熱阻,m·K/W。

綜合地質條件及經濟性選用雙U型De25管,深度130 m,地埋側換熱孔數為3 300眼,另配備2套冷卻塔,下入測溫光纖,監測地溫變化情況,為智慧節能控制系統提供基礎參數。

2.3 熱水供應系統

學校共有4個學生公寓社區,每個社區設有一座浴室,洗浴熱水熱源為太陽能+污水源+燃氣(備用),其中把浴室洗浴污水作為污水源熱泵的熱源進行余熱利用,浴室淋浴設計溫度為40 ℃,熱水箱設計水溫為42 ℃,日均用水約410 t,開放時間為每天15:00至22:00,可滿足3萬師生的洗浴熱水需求。

下面以一社區浴室為例,太陽能集熱板布置在樓頂,面積約為514.6 m2,太陽能集熱水箱有效容積為20 m3,安置在3樓的熱水箱間內;配套2座恒溫水箱,有效容積為40 m3,同樣集中設置于3樓。太陽能集熱水箱設計終止溫度為40 ℃;采用強制循環系統,配備兩臺功率為5.5 kW,流量為40 m3/h的循環水泵用以定溫循環;污水源熱泵機組設計制熱量為320 kW,功率為66.2 kW,配置1個污水池蓄存污水,有效容積為60 m3,污水池的平均溫度為26.3 ℃,排出污水的平均溫度為19.6 ℃;燃氣鍋爐額定熱水產量為60 m3/h,安置于一樓鍋爐房內,采用變頻設備供應熱水[14]。系統原理見圖3。

圖3 供熱系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of the heating system

一方面,污水池中的洗浴污水經過過濾器過濾掉毛發等雜物后進入板式換熱器,利用污水余熱對自來水進行余熱后進入污水源熱泵蒸發器,經壓縮機做功將污水余量傳給預熱后的自來水,使其升溫到設定溫度;另一方面,太陽能集熱器利用太陽能加熱自來水至設定溫度,承擔部分熱水供應,當太陽能日輻照量不足以供給足夠熱水時,燃氣鍋爐作為熱源補充,保證洗浴熱水足量穩定供應。

2.4 能源管理系統

利用智慧能源管理系統,通過現場采集、云服務平臺、監測平臺(圖4),實現自動化遠程監控,手機App即可遠程操縱,隨時可了解系統運行狀況及故障報警。以末端負荷、冷熱源、輸入功率的合理匹配,實現熱泵系統的動態控制與管理,提高熱泵系統的整體能效,達到系統節能的總體目標。

圖4 系統監測平臺Fig.4 System monitoring platform

3 系統運行測試

3.1 中深層地熱+燃氣系統

本供暖系統接入智慧能源系統,對系統各環節運行進行實時監測,這里選取3號能源站2021年2月系統運行監測數據進行分析,選取供暖中期數據分析,此時系統較為穩定。圖5為地熱井進出水溫度與進出水溫差隨時間變化圖,可以看出系統運行期間,地熱井進口水溫穩定在12.2 ℃左右,出水溫度維持在20.9 ℃附近,地熱井進出水溫差最高9 ℃,最低8.4 ℃,平均溫差8.7 ℃,進水溫度穩定但出水溫度和進出水溫差隨時間推移呈現下降趨勢,這是因為經過近兩個月的取熱,井下溫度不能及時恢復,會出現逐漸衰減的趨勢,導致取熱溫差減小,出水溫度降低,供暖期間依據用熱負荷采取間歇運行策略可有效改善溫度衰減狀況,另外中深層地熱相較淺層地熱熱儲溫度更高,熱恢復性更好,經過近8個月的非采暖期自然恢復,熱儲易恢復至較為理想狀態。

圖5 進出口溫度與進出口溫差隨時間變化圖Fig.5 Time-dependent diagram of inlet and outlet temperature and temperature difference

圖6 為地熱井換熱量與系統COP隨時間變化圖,可以看出,隨著供暖時間增加,地熱井換熱量呈現下降趨勢,這是因為井下熱儲溫度衰減,儲層側與埋管側溫差逐漸減小,致使取熱量逐漸減小。此時間段內系統COP最低為3.2,最高達到4,雖有波動但平均值仍為3.5,性能良好。

圖6 地熱井換熱量與系統COP隨時間變化圖Fig.6 Time-dependent diagram of heat transfer in geothermal well and COP of the system

3.2 淺層地熱系統

4號能源站運行數據如圖7所示,系統冬季運行時,此時間段內地源側供水溫度為10.7～13.1 ℃,平均溫度為12.1 ℃,回水溫度為8.3～10.6 ℃,平均溫度為9.1 ℃;用戶側供水溫度為41.1～42 ℃,平均穩定在41.8 ℃,回水溫度為36.5～39.4 ℃,平均溫度為37.4 ℃?？梢钥闯?地源側供回水溫差在3 ℃左右,用戶側供回水溫差基本穩定在3.9 ℃。前期用戶側供回水溫度呈現上升趨勢,地源側供回水溫度有下降趨勢,這是因為采暖季前期地上環境溫度隨季節加深逐漸降低,需提高地埋管供水溫度獲取更多熱量滿足供暖要求,隨著取熱時間及取熱量增加,地下熱儲層溫度恢復能力有限,溫度逐漸降低進而取熱量減少,導致地埋管出口溫度降低。經數據統計分析,該系統經過夏季制冷冬季供暖運行后,冷熱不平衡差4.3%,基本平衡,效果良好。

圖7 冬季運行供、回水溫度Fig.7 Operating water supply and return water temperature in winter

3.3 太陽能+污水源+燃氣系統

該系統于2020年至2021年對污水源熱泵系統和太陽能集熱系統進行現場測試,圖8為2020年10月2日到2020年10月27日污水源熱泵機組COP與系統COP,測試與計算結果表明,系統COP平均在3.6,污水源熱泵機組COP平均在4.8。當太陽能日輻照量φ≥18 MJ/(m2·d)時,太陽能集熱系統單獨運行即可滿足熱水供應;當太陽能日輻照量8 MJ/(m2·d)≤φ<18 MJ/(m2·d)時,需開啟污水源熱泵配合太陽能集熱系統進行供熱;當太陽能日輻照量φ≤8 MJ/(m2·d)時,需采用太陽能集熱系統+污水源熱泵再以燃氣鍋爐為補充才能供應足量的洗浴用水。

圖8 日平均COP變化圖Fig.8 Daily average COP variation chart

4 經濟環境效益

4.1 經濟性分析

根據本系統實際供暖情況,計算統計一個供暖季的采暖費用,包括運行費用和平均運營成本,折合成每平米費用如表2,其中4號能源站為供暖制冷總費用,可以看出在不考慮初投資的情況下,3號能源站采用的中深層地熱+燃氣鍋爐供熱的形式相較傳統燃氣鍋爐供熱每平米費用節省約20.95%,一個供暖季可節約88.3萬元費用;采用淺層地熱形式不僅可用于冬季供暖夏季也可用于制冷,供暖和制冷的總費用相較燃氣鍋爐每平米供暖費用仍可節省0.68%。

表2 供暖經濟性分析Tab.2 Economic analysis of heating

四個浴室設備按日耗電量1 200 kW·h計算,電費取0.5元/kW·h,每學年系統運行費用約為16.2萬元,如果采用燃氣鍋爐制備熱水,鍋爐熱效率按90%計算,每學年需要天然氣111 104 Nm3,天然氣價格取3元/Nm3,年運行費用約為33.3萬元,采用太陽能+污水余熱制備熱水,理想狀態下,每年可節省17.1萬元費用。由此可見,采用多能互補的供熱形式經濟效益顯著。

4.2 環境效益分析

相較傳統燃煤或燃氣鍋爐供暖,采用中深層地熱+多能互補形式供熱,以可再生能源為主,一次能源為輔,并對污水余熱進行回收利用,在負荷集中區就近建設能源站,節能減排的同時減少了長距離輸送設施投資與熱量損耗。

浴室原設計采用空氣源熱泵+燃氣鍋爐方式供熱,每制備1 t熱水需耗能折合標準煤5.47 kg,利用太陽能+污水源熱泵+燃氣鍋爐的方案,只需耗能折合標準煤2.11 kg,每噸節約標準煤3.36 kg。各能源站節能結果如表3,可以得到本項目總年節省標準煤20 860 t。進一步計算減排效益如表4,可得年減排二氧化碳54 650 t,減排硫化物175 t,減排氮氧化物154 t,減排廢渣約210 t,環境效益顯著。

表3 項目節省標準煤匯總表Tab.3 Summary of standard coal saved by the project

5 結論

1)中深層U型地熱井進出水平均溫差8.7 ℃,系統COP在3.5左右;4號能源站冷熱不平衡率僅為4.3%,基本平衡;浴室污水源熱泵機組COP平均在4.8左右,系統COP平均在3.6左右,各系統性能良好。

2)3號能源站較傳統燃氣鍋爐供熱每平米費用節省約20.95%,一個供暖季可節約88.3萬元費用;4號能源站冬季供暖和夏季制冷的總費用相較燃氣鍋爐每平米供暖費用仍可節省0.68%;浴室熱水系統較燃氣鍋爐供熱每學年可節省運行費用17.1萬元,此供熱方案經濟效益顯著。

3)本項目年節省標準煤20 860 t,年減排二氧化碳54 650 t,減排硫化物175 t,減排氮氧化物154 t,減排廢渣約210 t,環境效益顯著。