邯鄲市主城區清潔可再生能源分布式供能解決方案研究

文_劉偉 趙艷霞 金凱欣

1 華清安泰（北京）科技股份有限公司 2 河北世元工程項目管理有限公司

1 邯鄲主城區供熱現狀

近年邯鄲地區房地產發展增速較快，根據《邯鄲市中心城區2016～2020年供熱規劃修編》， 2020年規劃供暖面積9594萬m2。2018年度供熱面積約4870萬m2， 2018～2019年度在建待接入用戶約2000萬m2，2020年度待接入用戶約2600萬m2，2019～2020年每年供熱缺口在2000多萬m2。

早些年邯鄲地區以集中供熱為主，在現有4870萬m2供熱面積中，邯鄲熱力公司約3870萬m2，其他熱力公司和單位自建分布式約1000萬m2。近年來，隨著供熱壓力和環保要求的增加，邯鄲熱力公司也在積極尋找替代能源，已實現新能源替代650萬m2。包括2014～2015年實施的供熱面積300萬m2的邯鋼沖渣水余熱利用項目，2014～2016年實施的供熱能力30萬m2、供冷能力15萬m2的西污水處理廠污水熱泵利用項目，2017年啟動實施的熱能力100萬m2東污水處理廠污水熱泵利用項目。

目前市政熱網已經存在供熱能力不足情況，部分城區供暖溫度難以達到18℃。基于邯鄲市區當前供熱能力和需求分析下，因地制宜發展分布式供能迫在眉睫。

2 清潔能源資源分析

根據目前清潔能源技術發展水平，能夠用于邯鄲地區供熱的清潔能源主要包括燃氣、空氣能、太陽能、地熱能、生物質能，具體需要結合項目需求和資源條件對多種能源方式從技術和經濟角度分別加以分析，選擇最佳的清潔能源供暖方式。

2.1 太陽能

太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，目前發展迅速，光電、光熱技術成熟并已廣泛應用。光伏主要用于發電，需要大量的場地或屋頂。近兩年，有些地區利用“光伏發電+蓄熱電暖氣”技術解決農村居民采暖，但在城市中還不能大量推廣。光熱主要用在熱水方面，用于家庭洗浴較多。為了解決不良天氣情況，通常需要配備電輔助加熱。由于冬季供暖用熱需求量大，光熱技術難以滿足城區住宅供暖需求。

2.2 生物質能

生物質能主要包括植物秸稈、人畜糞便、餐廚垃圾所包含的化學能，它直接或間接地來源于植物的光合作用，可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料。植物秸稈利用方面，經過厭氧發酵，產生沼氣發電，廢熱用于供暖，減少污染排放的同時提高了經濟效益。

由于垃圾填埋場距離城區較遠、植物秸稈不便于遠距離運輸、各種飼養場也主要在鄉村等地域特點，導致生物質能不能在主城區有效利用。

2.3 燃氣

燃氣作為清潔能源，用于供熱是非常成熟和穩定的。很多小區已將燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐，新建住宅小區部分采用燃氣鍋爐集中供暖、部分采用分戶燃氣壁掛爐。燃氣供暖主要存在供氣量不穩定和用熱成本高兩方面問題。經測算，在當地氣價情況下，燃氣采暖費用約在30～35元/m2，作為清潔能源的主力——燃氣采暖在邯鄲地區基本無法推行。燃氣熱泵技術產品一定程度提高了能效，但是產品規格小，不適用城市大體量項目。

2.4 電儲能

電儲能技術可以在電網負荷低時儲能、電網高負荷時輸出能量，用于削峰填谷、減輕電網波動，同時降低用戶用能費用。國家能源局單獨發文明確“對于居民采暖的電蓄熱鍋爐、熱泵采暖，執行合表電價的享受居民峰谷電價，且電力增容費用由國網承擔。”不考慮電力增容的問題，單獨從投資和運行費用角度進行分析，對邯鄲某20萬m2的居民小區和供熱300萬m2的熱源廠，用電鍋爐水蓄能技術進行了測算。測算投資約80～100元/m2，綜合運營費用25～30元/m2，高于當地采暖收費標準，因此電蓄熱在邯鄲地區無法推廣應用。

2.5 空氣能

空氣作為熱泵的低位熱源，取之不盡，用之不竭，目前的產品包括小型家用空氣源熱泵、中型模塊化商用空氣源熱泵機組和大型空氣源熱泵機組，以及能源塔熱泵機組等。

2.5.1 常規空氣能熱泵

近年在“煤改電”政策下發展尤為迅猛，農村燃煤替代中很多采用家用空氣源熱泵。河北、山東也有一些城市住宅小區熱力不足項目采用模塊化空氣源熱泵機組，其中大規模的項目采用上百臺。

采用熱泵技術，空氣源熱泵的綜合能效比在2.0～2.5之間，同樣電價下運行費用相對直接電采暖節約60%以上。經測算，在邯鄲地區居民峰谷電價下，電耗費在12～15元/m2之間，投資費用在70～80元/m2。

我國寒冷地區冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5℃～-15℃，最冷月平均室外相對濕度基本在45%～65%之間。在這些地區選用空氣源熱泵，其結霜現象不太嚴重。但低溫下效率問題、噪音問題、供熱穩定性、壽命問題、場地問題均是制約其在城市中大規模應用的因素。

2.5.2 能源塔熱泵技術

能源塔熱泵技術是通過能源塔與空氣的熱交換和熱泵機組作用，實現供暖、制冷以及提供熱水的技術。冬天它利用低于冰點的載體介質，高效提取冰點以下的濕球水熱能。通過能源塔熱泵機組輸入少量高品位電能源，實現冰點以下低溫熱能向高溫位轉移，實現制熱；夏天由于能源塔的特殊設計，起到高效冷卻塔的作用，將熱量排到大氣實現制冷。能源塔適用于夏熱冬冷地區，在濕球溫度-20℃以上的地區可安全可靠運行，整個冬季機組的性能系數COP可在3.0～3.5范圍。在冬季濕度較大的地區，容易吸收空氣中的水分而稀釋鹽溶液，根據不同濕度情況控制鹽溶液濃度是關鍵。

經測算，在居民電價下，10萬m2以上小區，采用能源塔投資在70～80元/m2，和空氣源熱泵基本相同。運營能耗費用在10～12元/m2之間，考慮綜合維修等費用不超過15元/m2。采用能源塔熱泵，相對于邯鄲地區采暖收費標準，經濟上是可行的。

2.6 地熱能

供暖上應用較多的地熱能種類有淺層地溫能、干熱巖和深層地熱能。淺層地溫能賦存于地表以下200m，淺范圍內巖土體和水中，深層地熱資源賦存于200m以下大于25℃的地下水或巖體中。地熱資源具有很強的地域性，它的含量和可開采量與地質條件、氣溫條件有很大關系。調研邯鄲主城區情況如下。

2.6.1 深層地熱能

邯鄲地區地熱資源主要潤含在第三系中，第三系以砂巖、灰巖為主。東部地熱資源相對好些，局部可以達到60～70℃，開采量可以達到60m3/h以上，但是回灌困難。城區地熱資源相對貧瘠，出水量約在40m3/h，水溫40℃左右，且回灌困難。

由于之前疏于監管，很多縣城、鄉鎮小區私自開采地熱取水井直接供暖，直接排放造成了極大的地熱礦產資源浪費。現在政府開始嚴格管控，并采取關停措施。因此主城區深層地熱取暖的經濟性較低。

2.6.2 干熱巖

干熱巖（HDR），也稱增強型地熱系統（EGS），或稱工程型地熱系統，是一種溫度大于200℃，埋深數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。由于當地巖體溫度低，干熱巖技術應用經濟性不高。

2.6.3 淺層地熱能

淺層地熱能在國際已經成熟應用幾十年，國內也成功應用近20a，目前的利用形式主要為水源熱泵、地源熱泵、污水源熱泵。

邯鄲地區200m以內土壤平均溫度為16～17℃，20m以下基本恒定。整體地勢西高東低，城區西面第四系厚度約為70m，向東埋深加深到300m以上。第四系地層以粘土和砂層為主，比較適合做淺層地源熱泵。

地源熱泵可以采暖、制冷、制取生活熱水，一機三用，可代替傳統的燃氣（燃煤）鍋爐+冷水機組，公建投資在200～300元/m2，相對傳統項目投資增加20%～30%，由于其綜合能效比達到3.0～3.5，因此增加投資部分3～5a即可回收。住宅采暖項目，純地源熱泵投資約150元/m2，運行電費約10元/m2，經濟性是可行的。地源熱泵技術方面主要需解決打井場地，僅單獨取熱情況下長期運行可能會造成地溫偏低，影響供暖效果的問題。

通過上述分析，各種清潔供暖方式見表1。

表1 主城區分布式清潔供暖資源分析

3 最優的清潔供暖技術——地源熱泵+能源塔

綜合上述分析，生物質能的地域性限制、燃氣成本高且氣源不穩定、電儲能成本高，常規空氣能不適宜大規模項目，深層地熱和干熱巖不具備條件。

可大規模用于主城區的清潔能源供暖只有能源塔和地源熱泵，這兩種技術各有優缺點，采用多能互補技術，創新性地將地源熱泵和能源塔組合在一起使用，將空氣能和地熱能有機組合，因地制宜合理配置比例，實現優勢互補，安全穩定運行、經濟合理，詳見表2。

表2 地源熱泵+能源塔熱泵技術經濟特性分析表

4 地源熱泵+能源塔應用案例分析

4.1 項目概況

梧桐雅苑項目位于邯鄲市復興區，總建筑面積39萬m2，地上建筑面積29.7萬m2，建筑物性質為住宅及配套商業，建筑物末端采用地板采暖系統。

4.2 負荷需求和采暖形式

設計熱指標為30W/m2；低區熱負荷5073kW，高區熱負荷3850kW;室內采用地板輻射采暖，供回水溫度為45℃/35℃。

4.3 設計方案

項目距離市政熱網較遠，按照地源熱泵+能源塔多能互補方式進行設計。根據高、低區負荷分配和機組模數，最終選型配置比例為地源熱泵47%，能源塔53%。為解決長期取熱帶來的地溫衰減問題，設計了補熱措施和地溫場監控措施。當冬季運行中監測到地溫低影響機組運行時，在白天日間溫度高時開啟能源塔和地埋井之間的換熱板換補熱。

項目設置了華清安泰“互聯網+”智慧能源管控平臺，實時監控系統運行，結合環境溫度、土壤溫度、室內負荷變化情況，對能源塔和地源熱泵能效狀況進行分析對比，實時調節運行工況，選擇高效、安全的模式運行。

4.4 投資和經濟性分析

項目投資2900萬元，約98元/m2。綜合能耗、管理費、維修費年運營費用約13.5元/m2/a。

采暖費按照首年開發商100%繳費，之后居民繳費。入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。按照8%的折現率測算，靜態投資回收期5.9a，內部收益率18.4%；20a凈現值547萬元，整體收益率較好。

4.5 項目總結

梧桐雅苑項目采用地源熱泵+能源塔分布式能源方案技術和經濟性均可行，小區入住率是關鍵。在運行中加強管理，通過技術優化，設置合理的運行策略，在保障供暖效果前提下，實現節能低碳、清潔高效運行。

5 應用推廣情況

繼邯鄲主城區梧桐雅苑項目實施地源熱泵+能源塔分布式清潔能源供暖技術后，后續多個項目采用本清潔能源技術實施分布式供暖。地源熱泵+能源塔清潔供暖技術的應用，解決了城市熱網不到位情況下供熱難題，為居民提供了安全舒適得生活環境，在雙碳目標下，為城市主城區推廣可再生能源分布式供能提供了一條可行之路。