智慧能源多能互補清潔供熱技術的應用

李 強

（中煤水文局集團（天津）工程技術研究院有限公司，天津 300000）

0 引言

多能互補清潔供熱技術以智能微網、天然氣三聯供和分布再生能源為依托，通過能源階梯利用與多能協同供應方式，打造智慧能源模式，為城市發展助力。事實證明，該技術可以使常規模式難以避免的資源被大量浪費等問題得到有效解決，應當引起重視。

1 多能互補可行性

隨著社會的發展，可以用來對能源進行監控、管理與控制的技術趨于完善，如果從應用形式的角度進行分析，多能互補的效果得以實現所依托的基礎通常是綜合能源系統，該系統的作用主要是通過自動協調能源增進程度的方式，確保運行效果可以得到顯著提高[1]。這里要明確1點，綜合能源系統涉及的內容較多，既包括常規的水電熱，還包括其他新型能源供給。在對多能互補系統進行構建時，相關人員應該對產生能量到存儲能量的全過程加以重視，以對各個環節進行優化為前提，以增強系統的可靠性與穩定性為目的，通過對現有的能源系統進行集成應用的方式，確保能源利用率可以得到顯著提升，其生產成本也會隨之減少。

2 多能互補應用研究

傳統的片區能源模式得運行原理是以片區為載體，對各類能源進行輸入或者輸出，隨著運行時間的延長，該模式的不足也得到了直觀展示，即無法做到能源科學互補以及有效集約。由于該模式需要大量的設備作為依托，因此，能源及土地資源被浪費的情況難以避免。除此之外，受道路等因素的影響，對輸送管網進行建設的效率難以提高，這并不利于城市的發展。

該文所研究的智慧能源模式的創新之處在于其以多能互補、因地制宜和統籌開發為指導原則，通過充分利用新能源及傳統能源的方式，對現有的功能設施進行全面優化，通過應用智能微網、天然氣三聯供和分布再生能源，在實現能源階梯利用的基礎上，使多能協調供應設想成為現實。其特點如下：在土地布局緊湊的前提下，借助現有的市政設施，通過處理并運用所集成能源的方式，滿足燃氣調壓站、供電所等設施日常運行的需求。

現階段，分布能源站和垃圾處理站在許多地區得到了大力推廣，下文將分別對二者進行介紹。分布能源站驅動能源主要為清潔能源，例如太陽能或天然氣，低溫能源中常見的是污水源、空氣源和深淺層地源，可以通過多能互補的方式，加快能源利用模式向階梯利用過渡的速度，確保用戶所獲取的能源較之前更加穩定、安全且高效。這里要明確一點，就是上文所提到能源，除了有眾所周知的電能外，還包括冷能和熱能。垃圾處理站的職責是對城市生活垃圾進行分揀、處理和二次利用，基于高環保和高標準的要求，對焚燒垃圾所產生的蒸汽加以處理，并用處理后蒸汽發電、制冷或供熱[2]。事實證明，引入相關技術可以使垃圾外運量得到大幅減少，這與當今社會所倡導的節能環保的理念高度契合。此外，在實際應用時，該項目的優勢還體現由污水處理站對廢水進行處理，利用處理所得中水開展綠化等方面。

3 技術應用實例分析

3.1 替代燃煤鍋爐

3.1.1 改造方案

某大學以環保治理要求為依托，出蒸汽鍋爐替代傳統燃煤鍋爐，對40萬m2的校區進行供熱的方案，該校購入蒸汽鍋爐的數量及規格見表1。

表1 蒸汽鍋爐配置情況

有關人員從該校的建設程序和大氣治理要求出發，先后多次前往現場進行實地勘察，根據勘察結果反復調整改造方案，保證給出方案與學校的改造需求相符，即基于燃氣鍋爐和空氣能源熱泵，通過集成優化及多能互補的方式，高效完成改造燃煤鍋爐房的相關工作。

3.1.2 改造內容

結合該校供熱負荷區和鍋爐房規模可知，要想充分利用該場地，關鍵是以汽水熱力站為基礎，對能源站進行新建，并保證新建能源站均有長期運行所需系統相對應，例如自控系統/用電系統/熱力系統/空氣源熱泵[3]。考慮多方因素，最終該校選擇對3座能源站進行了建設，各能源站規模及參數配置情況見表2。

表2 新建能源站規模及參數配置

3.1.3 改造效果

經過改造的設備正式投入運行后，由技術人員對其運行效果進行了為期1年的跟蹤記錄，整理后的結果見表3。

表3 改造后設備運行效果

由表3數據可知，該項目平均每年可節約標煤重量約8 000 t，二氧化碳排放量能夠減少近16 000 t，二氧化硫排放量比之前減少了2.5 t左右。另外，煙塵排放量的變化也十分明顯，改造后煙塵排放量與改造前排放量的差值約為4.5 t。

3.2 污水源熱泵供熱

3.2.1 改造計劃

某水質凈化廠為當地污水源熱泵應用示范點，有關人員計劃對原有系統進行全面改造，制定的改造計劃如下：首先，購入污水源熱泵機組，取代了原有熱源，為凈水設備運行提供支持；其次，對燃氣發電機組和配套余熱回收裝置進行安裝，前者功率為1 000 kW，后者為1 300 kW；再次，由于該場所在地區有極寒天氣存在，因此，需要引進可起到調峰熱源作用的燃氣鍋爐；最后，將光伏發電系統加裝在屋面上即可。

3.2.2 改造內容

3.2.2.1 燃氣鍋爐

能源站新購入了1臺燃氣鍋爐，其規格為3.5 MW，其作用是保證即使有極寒天氣來臨，仍有調峰源熱可以保證供熱效果。燃氣鍋爐參數見表4。

表4 燃氣鍋爐參數

基于燃氣鍋爐開展的供暖工作，其特點主要體現在以下4個方面：1） 便于操作。有關人員可以通過按鍵、顯示屏對鍋爐狀況進行實時了解，使下一步操作更加明確。2） 安全可靠。處于運行狀態的真空熱水鍋爐，由于內部為負壓狀態，因此，即使存在操作失誤出現的超壓情況，仍舊能夠保證開關電源在第一時間被切斷。3） 節能高效。真空運行鍋爐的沸點較低，其熱效率較原有設備更高，且具有良好的換熱性，另外，真空密封爐體的輻射散熱較小[4]。4） 成本低、經濟性佳。由于鍋爐無補水需求，因此，不需要對補水和處理水的系統進行設置，將進出水口和用戶進行直接連接即可，可以大幅減少購買設備的成本隨之減少。

3.2.2.2 燃氣內燃機

能源站現有燃氣發電機組規格為1 000 kW，對煙氣余熱進行回收的裝置，規格為1 300 kW，發電機組發出的電能都可以通過電纜并入供電系統，為相關設備提供運行所需要的電能。用電峰段，設備運行所依托的電能來源為燃氣內燃機，而用電谷段，向設備供電的主體轉為市電，這樣設計的目的是充分利用峰谷電價存在的差異，降低運行成本。

該系統運行強調以熱定電，先保證發電量可以為能源站現有水泵及熱泵機組的日常運行提供支持，再將多余電量并入當地電網。而處于運行狀態的內燃發電機形成的煙氣，通常由回收裝置負責預熱及二次利用。

該發電機組的發電量為1 000 kW，燃氣耗量約為270 m3/h，向外界所提供熱量參數為1 300 kW，其他參數見表5。假設當地采暖季共有120 d，分為初寒期、嚴寒期和末寒期，并且前2個階段都可以通過量調節以及質調節達到調節供熱負荷的目的，那么機組出力僅為預設額度的80%。

表5 燃氣內燃機參數

該設備的技術優勢包括3點：1） 以天然氣為主要燃料，借助天然氣三聯供方式，對能源進行階梯利用，可以確保天然氣利用效率得到大幅提高。2） 有良好的安全性和環保性，可以通過削峰填谷的方式，為相關單位帶來更為可觀的經濟效益。3） 節能減排效果突出，在保證天然氣得到充分利用的前提下，應用雙重削峰填谷的方式，保障能源供應環節的安全。

3.2.2.3 空氣源熱泵

該項目計劃配備了2臺空氣源熱泵機組，作為廠房冷源/熱源，機組規格為70 kW，其他參數見表6。由于該機組的熱媒為制冷劑，因此在溫度較低的冬季，只需消耗較少電能就能夠將空氣熱能轉化成高溫位熱能，用來對末端系統運行所需要的循環水進行加熱[5]。研究表明，該機組只需要1單位電能，就可以對2單位熱量進行吸收，而末端所獲得熱量往往能夠達到3單位。

表6 空氣源熱泵參數

由項目運行情況可知，空氣源熱泵有許多優勢，下面對其優勢進行詳細說明，供相關人員參考：1） 運行范圍寬且出水溫度較高，通常能夠達到65 ℃左右，并且具備在-25 ℃低溫環境下持續運行的條件。2） 運行成本較低且有良好的節能性，僅需要耗費原有能源的30%，就能夠取得與原有能耗相同的效果。3） 無污染，燃燒不會產生外排物，社會效益良好。4） 環境因素所帶來的影響可以忽略不計，具有極為穩定的性能，可以做到全天候運行。5） 可以和水進行熱量交換，不存在漏氣或者漏電等安全隱患。6） 機組結構十分緊湊，重量輕且體積較小。7） 由計算機遠程控制機組啟停，且機組可根據運行負荷自行決定是否需要更改壓縮機運行狀態，在節約資源的基礎上，優化經濟性能。

3.2.2.4 污水源熱泵

城市污水主要為生活污水、工業廢水，污水熱源泵的特點是將城市污水轉化成建筑冷熱源，要想使主機長期處于高效運行狀態，關鍵是有適宜的溫度和穩定的水量。該項目計劃對3臺水源熱泵機組進行綜合應用，并通過加設管殼換熱器的方式，保證熱源穩定。

該機組的運行原理如下：在溫度較高的夏季，將建筑物熱量向水源進行轉移，溫度較低的水源可大量帶走建筑物熱量；在溫度偏低的冬季，先由水源負責對熱量進行提取，再借助熱泵機組對熱量做提溫處理，并向建筑物內部運輸[6]。正常情況下，水源熱泵每消耗約1 kW能量，就可以向用戶提供4 kW冷量/熱量。

該項目所引入系統，主要包括補水定壓、熱水循環、污水循環和中介水循環，該文將各系統原理進行介紹：1） 補水定壓。熱網補水所用水源為軟化水，由補水箱提供補水，經由補水裝置向回水總管輸送。2） 熱水循環。在末端系統水溫達到45 ℃后，通過末端泵將其輸送至冷凝器內部，由冷凝器對其做提熱處理，待水溫達到60 ℃，就可以進入建筑內部并對熱量進行釋放，達到末端循環的目的。3） 污水循環。對污水進行三級水處理所得中水和中介水做熱量交換處理。4） 中介水循環。先由中介水泵對中介水溫進行提升，再將其運輸至蒸發器內部，待熱量傳遞到熱泵機組內部且溫度大幅下降后，才可以向中介水管網回流，這一過程又被稱為“中介水循環”。

3.2.2.5 光伏發電與互補發電

3.2.2.5.1 光伏發電

廠房內部建立了光伏電站，該電站發電量可以滿足能源站辦公及日常運行。目前，得到大范圍推廣與應用的太陽能發電技術，主要包括光熱電轉換和光電直接轉換，該項目所采用的技術為光熱電轉換，該技術強調基于太陽能組件，經由串并聯方式，獲得發電所需要的光伏陣列，借助直流配電設備對太陽能做匯流處理，獲得僅需要進行逆變就可以為日常生活及辦公所用的直流電，而直流電轉化成交流電所依托設備，主要為逆變器。

在外墻或是屋頂上對光伏陣列進行安裝，既不需要占用有限的土地資源，同時還能夠將屋頂打造成清潔的小型發電站，在節約電力支出的基礎上，使屋面隔熱性得到改善，即將光伏產品與能源站屋頂結合，使屋頂更節能。

3.2.2.5.2 互補發電

互補發電系統的核心設備為風力發電機，該發電機的組件較多，主要有燈桿、互補控制器、單晶硅太陽能、免維護蓄電池和LED光源與燈具。風力發電機基于磁懸浮技術，可基于磁懸浮技術+永磁發電機，使無噪聲、低風速啟動的設想成為現實，只要有風力作用，該電機就能長期處于轉動狀態，通過對磁力線進行切割的方式，向廠房內部提供需要的交流電。

事實證明，與原有照明系統相比，風光互補發電的優勢，主要體現在以下2個方面：1）既不需要開挖電纜溝并對管線進行敷設，也不需要對專用的輸變線路及其配套設施進行建設，遠距離敷設使電能出現不必要損耗的問題，因此而得到了有效解決。2）可以對風能和太陽能在地域、時間等方面所存在互補特性加以利用，只要儲能裝置足夠，該系統便可經由智能控制器實現穩定運行。3）該系統所采用直流電僅有24V，從根本上避免了意外觸碰導致安全事故發生的情況。另外，水電氣管道間存在沖突、供電持續性難以得到保障等市電照明系統常見問題也迎刃而解。

3.2.3 改造效果

事實證明，經過該次改造，該項目平均每年可節約標煤重量為2 750 t，二氧化碳排放量較之前減少了5 400 t左右，二氧化硫排放量也減少了約11 t。雖然相較于上1個項目，該項目煙塵排放量的變化并不明顯，但是改造前后的差值仍然能夠達到0.6 t，具有借鑒及推廣意義。

4 結語

通過該文的分析可以看出，當前，清潔能源得到了持續開發，多能互補的清潔供熱技術逐漸引起了人們的關注，該技術的優勢除了可以使能源得到階梯化應用外，還能夠為智慧能源模式構建助力。未來該技術仍將是研究重點，圍繞其具體應用進行探討是很有必要的。