西北地區帶輔助熱源的中深層地源熱泵供暖系統設計負荷配比分析

杜賽賽,張 勇,劉 軒,薛 函,張學弟

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

中國地熱資源豐富，0～3 km深度區間我國的地熱能量在5 000～50 000億t標煤[1]。在“碳達峰”、“碳中和”行動目標背景下，地熱能作為21世紀能源開發戰略中重要的可再生能源之一，具有綠色、低碳、可循環利用等特點[2-4]。

中深層地熱能相較于傳統的淺層地熱能，熱流密度大、出水溫度高，具有較大的開發利用潛力，先后有眾多學者針對其開展研究[5-8]。但是利用中深層地熱能供暖，初投資較高。為提高經濟性及合理性，通常以中深層地熱能為基礎熱源，其他輔助熱源作為調峰，因此中深層供暖設計負荷配比的確定至關重要。選擇陜西省西安市的某辦公建筑為研究對象，分析不同設計負荷比時中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統的運行能耗、經濟性及其所引起的環境污染物排放情況，探索西北半干旱氣候下地熱能與燃氣鍋爐耦合供暖系統的合理構建，為西北地區地熱能的合理利用提供借鑒。

1 工程概況

西安市位于陜西省關中平原，屬于寒冷地區，海拔397.5 m，全年平均溫度13.7 ℃，冬季供暖室外計算溫度為-3.4 ℃，供暖期共121 d/a。以西安市2座典型6層辦公樓(供暖面積21 792 m2)及20萬m2辦公建筑群為研究對象進行分析，建筑的外墻、外窗、外門和屋面的傳熱系數分別為0.483、2.5、2.5、0.435 W/(m2·K)。

2 主要技術參數計算方法

2.1 動態負荷計算

準確的負荷預測是建筑的供暖系統優化設計的基礎。通常，設計熱負荷按照最不利即最冷時的熱負荷選取，以保證系統的有效運行。但實際熱負荷是隨著室外環境參數的變化而逐漸變化的，大多數情況的熱負荷低于設計熱負荷，因此，動態模擬建筑物的負荷變化情況對供暖方案設計具有重要的意義[9-10]。采用傳統負荷計算方法及華電源HDY-SMAD負荷軟件動態模擬，分別計算該辦公樓的熱負荷，對比分析得出建筑的年耗熱量。

2.2 運行能耗計算

考慮熱源能耗為供暖系統的主要能耗，將熱源能耗作為供暖系統運行能耗。

設供暖系統每年向熱用戶提供的熱量為Q(kJ/a)。中深層地熱能系統主要耗能為電，燃氣鍋爐系統主要耗能為天然氣，計算方法如下：

(1) 中深層地熱能耗電量

(1)

上式中：E為中深層地熱能系統的耗電量，kJ/a；COP為中深層地熱能系統的性能系數，取5.0。

(2) 燃氣鍋爐的天然氣耗量

(2)

上式中：F為燃氣鍋爐的天然氣耗量，(Nm3)/a；q為天然氣的低位發熱量，kJ/Nm3，取33 240 kJ/Nm3；η為燃氣鍋爐效率，取90%。

為方便比較中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統各方案的能耗，將電力、天然氣統一折算成標準煤。電力的折算系數為0.404 kg/kWh，天然氣的折算系數是1.214 kg/ Nm3[11]。

3 計算結果分析

3.1 動態負荷計算

針對陜西省西安市的某典型6層辦公樓(供暖面積10 896 m2)，采用傳統負荷計算方法及華電源軟件動態模擬法分別計算該辦公樓的熱負荷，用傳統方法計算得該辦公樓的設計熱負荷為1 215 kW，華電源動態計算得供暖季逐時熱負荷變化情況如圖1所示，熱負荷頻率分布如圖2所示。由圖可知，供暖季熱負荷為逐時波動，不斷變化的；負荷區間0～200 kW出現的總小時數為1 855 h，而負荷區間1 200～1 300 kW出現的小時數僅為15 h，即設計熱負荷所占時間較短，供暖季熱負荷大多遠小于設計負荷，因此采用動態熱負荷計算供暖季耗熱量，進而計算各種供暖方案的燃料耗量。假設辦公建筑的人員活動時間為8:00-20:00，則計算辦公建筑全年耗熱量時僅計算8:00-20:00時段。6層辦公樓的全年耗熱量為2 965.2 GJ，20萬m2辦公建筑群的全年耗熱量為2 5941.8 GJ。

3.2 方案比較

針對陜西省西安市的2座典型6層辦公樓(供暖面積21 792 m2，設計負荷2 430 kW，全年耗熱量為5 930.4 GJ)，及辦公建筑群(供暖面積20萬m2，設計負荷12 000 kW，全年耗熱量為25 941.8 GJ)采用中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統，中深層地熱能為主要供暖熱源，燃氣鍋爐為輔助或調峰熱源。采用無干擾(同軸套管)地熱取熱技術，單井取熱量為400 kW，結合辦公建筑實際負荷，分別對中深層地熱能承擔設計負荷比為0、17%、33%、50%、67%、83%、100%這7種情況時系統的耗電量、耗氣量及折算標準煤耗量，各燃料耗量變化趨勢如圖3、4所示。

由圖3、4可知， 2座6層辦公樓僅用燃氣鍋爐供暖時，一個供暖季標煤耗量為152.27 t，僅用中深層地熱能供暖時，一個供暖季標煤耗量為107.50 t ，比燃氣鍋爐節省的標煤占比約為29.40%；20萬m2辦公建筑群僅用燃氣鍋爐供暖時，一個供暖季標煤耗量為1 057.86 t，僅用中深層地熱能供暖時，一個供暖季標煤耗量為582.16 t，比燃氣鍋爐節省的標煤占比約為44.97%，即中深層地熱能比燃氣鍋爐更加節能，且建筑規模越大，節能節省標煤占比越大。

隨著中深層地熱能承擔設計負荷比的增加，耗電量逐漸增加，在設計負荷比增至0.5后變化逐漸趨于平緩；同樣，天然氣耗量隨著中深層地熱能承擔設計負荷比的增加而逐漸減小，增至0.5后天然氣耗量變化趨于平緩。將其折算成標準煤耗量，可得標煤耗量隨中深層地熱能承擔設計負荷比的增加而逐漸減小，且在增至0.5后天然氣耗量變化趨于平緩。

綜合分析，對于辦公建筑，中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統中，各自承擔設計負荷比為50%是可以接受的。此時，2座6層辦公樓標煤耗量為117.48 t，相對于純燃氣鍋爐系統能耗節省了22.85%，而相對于能耗最小的純中深層地熱能系統僅增加了9.28%；20萬m2辦公建筑群標煤耗量為619.50 t，相對于純燃氣鍋爐系統能耗節省了41.44%，而相對于能耗最小的純中深層地熱能系統僅增加了6.41%。

3.3 經濟性分析

根據西安市市場調研及以往工程的投資費用估算，每口中深層地熱能井對應的初投資約為300萬元；1噸燃氣鍋爐的初投資約30萬元。為簡化計算，對中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統的初投資按各系統承擔的負荷比加權計算。西安市的能源價格為電價0.50元/kWh；天然氣2.2元/Nm3，辦公建筑供暖收費：7.5元/m2。

針對上述2座6層辦公樓及20萬m2辦公建筑群，采用不同負荷配比的中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統，計算初投資、運行費用，采用投資內部收益率、財務凈現值及動態投資回收期財務指標評價各方案經濟可行性，根據《建設項目經濟評價方法與參數》(第三版)基準收益率取6%，計算期21 a，其中建設期1 a，運行期20 a。當投資內部收益率大于6%，財務凈現值大于0；動態投資回收期較短時，表明方案具有一定的盈利能力，財務評價可行。不同能源配比經濟性計算結果見表1～2。由表1、2可得，中深層地熱能系統占比越高，項目前期建設投資越大，年運行所消耗的天然氣等成本越低，經濟效益指標越差。

表1 2座6層辦公樓經濟性分析

表2 20萬m2辦公建筑群經濟性分析

對于2座6層辦公樓，當中深層地熱能承擔設計負荷比大于等于33%時，投資內部收益率小于6%，財務凈現值為負值，動態投資回收期大于20 a，方案在經濟上不可行。對于20萬m2辦公建筑群，當中深層地熱能承擔設計負荷比大于等于67%時，投資內部收益率小于6%，財務凈現值為負值，動態投資回收期大于20 a，方案在經濟上不可行。

綜合對比分析，當辦公建筑規模較小(2座6層辦公樓)時，不宜采用中深層地熱能系統，當辦公建筑規模較大(20萬m2辦公建筑群)時，適宜采用中深層地熱能系統，且中深層地熱能承擔設計負荷比為50%時是可接受的，此時的投資內部收益率為7.57%，財務凈現值為568.35萬元，動態投資回收期為17.19 a。

3.4 環境效益分析

針對20萬m2辦公建筑群，采用不同設計負荷配比的中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統時，每年的CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量如圖5所示[12]。由圖可得，中深層地熱能承擔設計負荷比為0時，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量為最大值，分別為：2 172 t、2 735 kg、1 101 kg、920 kg，隨著中深層地熱能承擔設計負荷比的增加，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量均逐漸減少，且在設計負荷比增至0.5后變化逐漸平緩。

從燃料耗量和引起的污染物排放情況分析，中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統中，各自承擔設計負荷比為50%是可接受的，此時CO2、SO2、NOX及PM2.5年減排量分別為：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。

4 結 論

以上針對陜西省西安市的某典型辦公建筑，分析了中深層地熱能系統、燃氣鍋爐系統的供暖運行能耗、經濟性分析及其所引起的環境污染物排放情況，具體結論如下：

(1) 對于辦公建筑，用傳統方法計算得到的設計熱負荷值在全年出現的時間較短，供暖季熱負荷大多為部分負荷，計算供暖季耗熱量時應采用動態逐時負荷。

(2) 中深層地熱能供暖系統比燃氣鍋爐更節能，且建筑規模越大，節能節省標煤占比越大，2座6層辦公樓僅用中深層地熱能供暖時，一個供暖季標煤耗量比僅用燃氣鍋爐節省約29.40%；20萬m2辦公建筑群僅用中深層地熱能供暖時，一個供暖季標煤耗量比僅用燃氣鍋爐節省約44.97%。

(3) 當辦公建筑規模較小時(2座6層辦公樓)，不宜采用中深層地熱能系統，當辦公建筑規模較大時(20萬m2辦公建筑群)，適宜采用中深層地熱能系統，綜合考慮能耗、經濟、環保等因素，中深層地熱能承擔設計負荷比為50%時是可接受的。

(4) 對于20萬m2辦公建筑群分別從燃料耗量和引起的污染物排放情況分析，中深層地熱能和燃氣鍋爐聯合供暖系統中，各自承擔設計負荷比為50%是可接受的，此時系統標煤耗量相對于純燃氣鍋爐系統能耗節省了41.44%，而相對于能耗最小的純中深層地熱能系統增加了6.41%；投資內部收益率為7.57%，財務凈現值為568.35萬元，動態投資回收期/為17.19 a；CO2、SO2、NOX及PM2.5年減排量分別為：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。