雄安新区多能耦合综合智慧能源应用案例分析

雄安新区多能耦合综合智慧能源应用案例分析

　　近年来，国家出台一系列政策文件，如《关于推进北方采暖地区城镇清洁供暖的指导意见》《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》,对清洁供暖和提高可再生能源供能比例提出明确要求，鼓励多种能源相结合。雄安新区有丰富的地热资源，中深层地热储量和可开采量较大，规划大面积绿地资源，有利于大规模开发浅层地热。

　　地热能作为一种清洁能源，具有储量大、分布范围广、稳定性强的特点，大规模开发利用是趋势，地热能耦合燃气锅炉、电制冷等多种能源耦合运行模式，是解决能源转型的重要途径。雄安新区倡导打造“绿色生态宜居新城区、创新驱动发展引领区、协调发展示范区、开放发展先行区”,多能耦合供热(冷)模式符合新区科学利用地热，统筹天然气、电力等多种能源的能源规划要求，也是打造绿色、环保、高效、智能的城市能源系统，实现新区绿色生态宜居之城的重要支撑。供热作为城市能源系统的用能大户，实现清洁、绿色供热对于实现新区城市功能犹为重要。

　　基于此，为进一步打造雄安新区多能耦合应用场景，本文通过分析多能互补项目设计方案和运行方案的经济效益、环保效益，为雄安新区能源结构优化提供发展新思路。

　　项目概况

　　本项目位于雄安新区，地处寒冷B区，冬季需要供热，季需要供冷，且季冷负荷大于冬季热负荷。本项目地块占地约21.7万㎡,总建筑面积90.1万㎡,包括五星酒店、会展中心、商务酒店、公寓、学校、商业办公。能源需求包括供热、供冷、燃气及生活热水。

　　能源系统方案设计

　　▌能源需求计算

　　本项目供热面积68.07万㎡,供热负荷30.77MW(季节性负荷);供冷面积23.91万㎡,供冷负荷26.68 MW(季节性负荷);生活热水需求每天最高864 t(常年性负荷)。

　　▌能源供给条件

　　根据新区上位能源规划，该地块内及周边绿地设置中深层地热井2口(一采一回),可利用规模5 MW;地块内及周边绿地可以开发浅层地热，实际可开发浅层地热井数量为1 000口，可利用规模6 MW;天然气资源按照100%匹配;电力资源按需匹配。

　　▌能源系统方案

　　中深层地热:出水稳定，可常年使用。按照地热勘探报告和地热开发利用方案，本项目地块范围内有一对中深层地热井(一口开采井、一口回灌井),按照本项目所在片区中深层地热规划利用方案，本项目中深层地热井为采暖+生活热水用途，考虑充分利用中深层地热资源，优先用于地块内常年性负荷(热水需求),盈余部分考虑季节性负荷(供暖使用)。

　　浅层地热:既能供热又能供冷，但冷热负荷有比例限制，需根据不同冷热负荷进行模拟分析，匹配调峰热源或冷源。本项目楼宇整体供热方式为集中供热，按照政府规定时间启动和停止供热，部分楼宇为满足提前供热和延期供热需求，需自建燃气锅炉，无自建燃气锅炉部分需供热企业配建补充热源。该项目西侧为公园绿地，故配建适量浅层地热用以优先满足部分酒店、办公、商业等冷热同需的项目，浅层地热机组选择2组涡旋机组，每组7台热泵机组，机组COP为4.9,以匹配少量用户延时供冷需求时的灵活调整。浅层地热在提前或延期供热、初末寒期和供冷期承担基础负荷。

　　燃气:供应稳定，可实现按需匹配;属于化石能源，品味高，含碳高，供热不足部分考虑以燃气作为调峰热源。本项目所在区域为集中供热区域，主热源为燃气锅炉能源站，燃气锅炉100%保障片区供热负荷需求，但能源站启动时间需按政府规定时间启停，在用户有提前或延期供热时，运行燃气锅炉经济效益差，为此需匹配浅层地热，燃气锅炉在供热严寒期和寒冷期提供调峰负荷，提前或延期供热和初末寒期由浅层地热提供基础负荷。燃气锅炉尾部加装烟气冷凝回收器，可以降低排烟温度，同时利用燃气热泵继续回收烟气余热，进一步降低烟气温度，提高燃气利用率。

　　电力:供应稳定，可实现按需匹配;属于化石能源，品味高，含碳高。供冷初期、末期通过浅层地热满足用户冷负荷需求，供冷中期制冷负荷不足部分由电制冷机组作为调峰冷源。

　　通过对本地块能源禀赋进行分析，结合各种能源特点，满足地块能源需求的基础上，构建多能源耦合系统。供热(冷)系统工艺流程图见图1；热水系统工艺流程图见图2。

　　图1供热(冷)系统工艺流程图

　　图2生活热水系统工艺流程图

　　▌工程设计

　　1.能源站设计

　　供热热源:本项目上游热源总负荷81.75 MW,包含2台29 MW燃气锅炉、2台4.78 MW烟气余热回收热泵(提高燃气利用效率)、3对4.73 MW中深层地热井;本项目热负荷需求30.77 MW,其他项目热负荷需求50.98 MW;本项目提前供热(11月15日前)和延期供热(3月15日后)热负荷需求约5 MW,配建一定量浅层地热用以补充用户需求。项目周边公园布置1 000口浅层地热井，采用垂直埋管形式，选用DN32双U型HDPE换热器，单个土壤换热器孔深为150 m,换热器间距为5m×5m,孔径Φ150 mm。地埋管线水平连接后穿越市政路引入热泵机房内；机房设置地源热泵机组14台，单台制冷量486 KW,输入功率137.5KW/380V,总制冷功率6 804 KW,总制热功率8 120 kW。供热考虑燃气锅炉(2×29 MW)100%保障，以满足冬季供热及生活热水需求。

　　供冷冷源:浅层地源热泵14台，规模同上;供冷不足部分采用4台离心式冷水机组，其中1台制冷功率3 164kW机组，3台制冷功率6 680 kW机组，总制冷功率23 204 kW,耦合浅层地热总制冷功率为30 008 kW,略高于用户需求，提高负荷保障性。

　　生活热水:生活水热源为2口中深层地热井，一口采水井、一口回灌井，打井深度1 800 m,地热井出水温度57℃,回灌温度20℃;生活热水供应系统与燃气锅炉并联耦合，检修时采用燃气锅炉补充。

　　综上，为满足用户提前或延期供热需求，保障用户生活热水24 h不间断供热，确保用户冷负荷稳定持续，采用燃气锅炉+浅层地热、燃气锅炉+中深层地热、浅层地热+电制冷机组耦合运行方式。

　　2.末端设计

　　本项目会议中心、酒店等办公室、会议室、展厅区域采用双管制风机盘管空调末端系统形式，大堂区域采用地辐射采暖形式。供热设计温度45℃/35℃,供冷设计温度6℃/13℃。生活热水供水参数为55℃。

　　3.智慧能源系统

　　本项目同时搭载雄安新区综合智慧能源平台，平台基于物联网、大数据、人工智能等技术，搭载了多能互补供能监测系统和控制策略，通过实时教据采集、工艺流程图展示、热力生产监控分析、热计量与智能平衡管理等功能，优化集成控制，实现实时自动化运行调节，打造供热(冷)运行无人值守。

　　具体运行策略为:供热(冷)期间，全负荷运行浅层地热和中深层地热，地热负荷不能满足用户用能需求时，自动调节燃气锅炉热源一次阀门或电制冷系统负荷，实现热供能精准调控，进而产生直接或间接经济效益。

　　4.浅层地热的地温监控调节系统及运行策略

　　为保证本项目可再生能源利用的效率，对浅层地热系统设置地温监控调节系统。系统运行过程中，需要开启或关闭某一区域的地埋管系统时，通过地温监测数据进行比选，夏季制冷工况优先开启地温较低的区域，或优先关闭地温较高的区域，冬季供暖工况优先开启地温较高的区域，或优先关闭地温较低的区域。地埋管系统的启停可通过汇总检查井内的电动阀门进行控制，解决冬季土壤的严重冷堆积现象，防止土壤出现冷热不平衡;夏季通过项目供冷，实现土壤蓄热体的冷热平衡。

　　本项目在机房内地源侧供回水总管和市政侧供回水总管上分别设置热流量计，通过智慧能源平台在线监测系统，实时监测地源侧的取热量和散热量，确保全年取热量累计值和散热量累计值相当，运行期间智慧平台监测当年累计取热量与上年散热量相当时，供热或供冷不再启用地源侧热泵，仅启用市政燃气锅炉或电制冷机组用以保障用户侧冷热负荷需求。

　　能源利用及运行方案分析

　　▌装机方案

　　本项目充分利用区域内可再生能源，结合多能互补的供能方式配置燃气能源站及输配管网，采用燃气能源站、浅层地热、调峰电制冷等多能耦合的供能系统。

　　该地块供热总负荷为30.77 MW,表1为本项目冬季供热装机配比

　　表1冬季供热装机配比

　　该地块市政集中供冷负荷26.68 MW,表2为夏季供冷装机配比。

　　表2夏季供冷装机配比

　　▌运行方案

　　本项日设计多能源互补的综合能源利用系统，按照安全、绿色、低碳、高效的能源供应原则，利用综合能源智慧平台系统及低温监测控制系统，以保证可再生能源的有限利用及充分利用。通过智慧调控系统进行运行调节，本项目可再生能源供冷比例达到35.14%，供热比例达到38%。2021-2022年采暖季，本项目地源侧属于调试期，投运面积偏小，总供热量较低；2022年，本项目范围内用户供冷需求增加，冷热不平衡偏大。

　　表3 2021-2022年采暖季供热能源占比分析

　　表4 2022年夏季供冷能源比例

　　1.供热运行方案

　　供热初期和末期，充分利用浅层地源热泵，最大限度利用可再生能源，供热严寒期通过燃气能源站市政供热管网进行热源补充，解决浅层地热执源能力不足问题。燃气能源站热源包括燃气锅炉和烟气余热回收热泵，能源站除了为该地块提供补充热源外，还为周边其他地块提供基本热源，燃气能源站在冬季投入使用，同步投入烟气余热回收系统，充分利用余热及浅层地热为该地块服务，并调整锅炉负荷以满足随着严寒期到来而增加的供热需求。上游除1#能源站作为该地块热源外，2#能源站通过管廊与该地块供热干管互联互通，为该地块冬季供热稳定运行提供应急保障。

　　2.供冷运行方案

　　本项目通过最大化利用浅层地热供冷，满足初期会议中心、办公楼等基础负荷，负荷不满足需求时启动电制冷机提供冷水。在供冷需求较低时，通过浅层地热系统提供大量冷负荷，供冷需求高且地温监测不超限时，启动电制冷机提供峰冷负荷。采用智慧能源系统控制冷热平衡，实现地源热泵系统取热量和散热量基本持平。

　　环境和经济效益分析

　　本项目充分利用了雄安新区浅层、中深层地热资源禀赋，是雄安新区第一个统一规划设计、整体实施运维的多能耦合项目，完全实现清洁供能，为雄安新区其他项目综合能源项目奠定了基础。

　　▌环境效益分析

　　2021-2022年采暖季，根据表3供热运行能源占比分析，浅层地热和中深层地热提供热量合计9 204 GJ,经计算(见表4),相比本项目燃气锅炉供热，节省燃气28.63万m³,折合标煤310.04t,减排CO₂约510.82t。因该地块内部分业态未全部开放，本项目供热需求和生活热水需求未全部达产，2021-2022年采暖季，可再生资源贡献率综合占比为38.27%。

　　表5环境效益分析

　　▌经济效益分析

　　运行成本分析计算如表6所示。通过计算分析，在不考虑初期投资前提下，地源热泵供热运行耗电成本较燃气锅炉运行燃料成本低31.4元/GJ;中深层地热供生活热水运行耗电成本较燃气锅炉运行燃料成本低88.7元/GJ,按照目前的燃气价格，充分利用可再生热源能够大幅降低供热运行成本。

　　表6 2021-2022年采暖季运行成本分析计算

　　▌效益预测

　　该地块全部业态运营后，按照该地块每平方米需0.3 GJ热量测算，供热期地块采暖用热量为204 210 GJ,生活热水年最大供应量315 514t,需热量53 006 GJ，总热量需求257 216 GJ。供热结构中浅层地热供能84 821 GJ,中深层地热供能53 006 GJ,燃气锅炉供能76 561 GJ,烟气余热供能42 828 GJ，可再生能源贡献率最高达53.58%。年环境效益预测如表7所示，年节省燃气562.75万m³折合标煤6163.95 t,CO₂减排量10035.39 t。

　　表7年环境效益预测分析表

　　结语

　　综上所述，该项目充分结合浅层地热、中深层地热、电力、燃气，构成多能耦合能源供给系统，大提高了可再生能源比例，减少了燃气化石能源消耗，降低了污染物排放和供能运行燃料成本，取得了较好的经济效益和环境效益，为雄安新区进一步推广多能耦合、智能互补的供能系统提供了可借鉴的实践案例，在推动能源结构转型的同时，既能保障供能安全，也能节约运行成本。（文/张义超）