梧桐雅苑項目多能耦合分布式能源供熱技術研究應用

許軍強 劉振波 劉偉 中電洲際環保科技發展有限公司 華清安泰能源股份有限公司

1 項目概況

梧桐雅苑項目位于邯鄲市復興區，總建筑面積389059m2，供暖面積296524m2。項目于2019 年開工建設，2022 年年底交付入住。

建筑采用地板采暖系統，住宅30W/m2熱負荷，商業45W/m2熱負荷。項目總供暖負荷8146kW，其中1～16 層為低區，熱負荷4710 kW；17 層及以上為高區，熱負荷3436kW。

2.能源狀況

項目所在地集中熱網還沒敷設到位，且市政熱網已經存在供熱能力不足情況，采用集中供熱存在小區建成后管網不能接入和供熱不達標的風險。

依據《邯鄲市冬季清潔取暖專項規劃（2018—2020 年）》，結合項目需求，以及邯鄲地區燃氣、空氣能、太陽能、地熱能等清潔能源資源情況，從技術和經濟、節能角度分別加以分析，選擇適宜本項目的清潔能源供暖方式。

2.1 燃氣

邯鄲地區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，遠高于當地18.9 元/m2的供熱收費標準，經濟性不可行。

2.2 太陽能

太陽能光熱在熱水制取方面，應用廣泛、技術成熟。由于供暖用熱需求量大，光熱采暖需要大量的屋頂資源，同時需要配置應急熱源解決連續陰天天氣，光熱技術難以滿足大規模住宅供暖需求。

2.3 電儲能

電儲能技術可以用于在電網低負荷時儲能，在電網高負荷的時候輸出能量，用于削峰填谷，同時降低用能費用。不考慮電力增容的問題，電蓄熱投資約80～100 元/m2，運營費用25～30 元/m2，高于當地采暖收費標準，經濟方面不可行。

2.4 空氣能

空氣作為熱泵的低位熱源，使用便利、成熟，屬于可再生能源，目前的產品包括常規空氣源模塊機、能源塔熱泵機組等。

2.4.1 常規空氣能熱泵

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，投資費用70～80 元/m2，在居民峰谷電價下電耗費12～15 元/m2，經濟方面可行。空氣源熱泵低溫下連續運行，效率、噪音、供熱穩定性制約其在城市中大規模發展。

2.4.2 能源塔熱泵

能源塔熱泵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載體介質，高效提取冰點以下的濕球水熱能。能源塔在夏熱冬冷、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。經測算，采用能源塔投資在70～80 元/m2，在居民電價下能耗費用在10～12 元/m2之間，經濟方面可行。

2.5 地熱能

供暖上應用較多的地熱能種類有淺層地溫能和中深層地熱能。淺層地溫能賦存于地表以下200m 以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，調研邯鄲主城區情況如下。

2.5.1 深層地熱能

邯鄲地區地熱資源主要潤含在以砂巖、灰巖為主的第三系中，出水量約在40m3/h，水溫40℃上下，且回灌困難。早期不合理開發利用造成地下水污染浪費，政府已嚴格管控地熱開采，并采取關停措施。

2.5.2 淺層地熱能

邯鄲地區第四系地層以粘土和砂層為主，200m 以內土壤平均溫度大約16～17℃，比較適合做淺層地源熱泵。經測算住宅采暖項目，地源熱泵投資大約在150 元/m2，運行電費大約在10 元/m2，經濟可行。技術方面主要是要解決打井場地和冷熱平衡問題。

3 能源方案

能源塔熱泵和地源熱泵是相對適用于城區較大規模項目的清潔供暖技術，兩項技術各有優缺點，通過因地制宜的合理配置、有機組合，實現優勢互補，可以有效解決供熱問題。

同時可以考慮預留集中供熱接入條件，實現淺層地熱能+空氣源+集中熱力調峰的多能耦合方案，通過分期建設實現技術可行、經濟合理、安全可靠、綠色低碳。

3.1 地熱能+能源塔耦合方案

該方案結合高低區需求，分別配置了地源熱泵、能源塔熱泵機組，循環泵、真空脫氣機、定壓補水裝置等設備，同時配置了補熱板換，非采暖季利用能源塔對地下補熱，解決地溫場平衡問題。

地源熱泵配置占總負荷52%，能源塔熱泵占總負荷59%，預留11%安全余量。運行中，夜間以地源熱泵承擔基礎負責，不足時開啟能源塔熱泵。同時結合地溫場監測、熱泵能效監測系統，分析地源和能源塔系統運行能效，選擇高效優先的運行模式。

綜合測算建安工程費，勘察設計費、監理費、建設管理費等二類費，項目投資2911萬元，約98 元/m2。開發商承擔70 元/m2的建設費用，超出部分投資由熱力公司承擔。

不考慮公司管理成本，項目能耗、管理和維修年運營費用約13.5 元/m2/a。

采暖入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。收費方面，按照首年開發商100%繳費，之后按照入住情況居民繳費。靜態投資回收期7a，內部收益率13.4%，整體收益較好。

3.2 地熱能+能源塔+市政熱力耦合方案

三種能源互補方式下，地源熱泵配置占比38%、能源塔配置占比29%、市政熱力配置占比40%。運行時優先利用可再生能源，不足時市政熱力調峰，可再生能源運行比例可以達到80%以上。鑒于熱力從電廠購入價格因素，也可在初、末寒期優先使用市政熱力，嚴寒期熱力供應高峰時優先使用分布式能源，實現大網和分布式靈活調配。

綜合測算建安工程費、管理費等，項目投資2650 萬元，約88 元/m2。其中開發商承擔70 元/m2的建設費用，超出投資由熱力公司承擔。綜合能耗、管理費、維修費年運營費用約13 元/m2/a。同樣入住率、收費率情況下，靜態投資回收期4.6a，內部收益率22%。

3.3 方案對比分析

采用地源熱泵+能源塔熱泵+市政熱網三種能源互補方式，技術經濟性優于地源熱泵+能源塔熱泵二種能源互補方式，且提高了運行安全保障，整體方案最優。

此方案風險點是市政熱網接入時間，為避免出現熱力不能接入影響供能問題，系統預留了能源塔熱泵位置、電量和管路接口。結合小區入住率情況，在2023 年熱網不能接入影響供能安全時，可及時安裝預留能源塔熱泵機組。

本項目容積率高，沒有公共綠地可以布置地埋管，經論證采用基礎下地源熱泵埋管方式，同時采用能源塔熱泵、市政熱力耦合供熱技術，技術還是具有一定領先性。數字化智慧能能源管理技術在本項目中發揮重要作用，根據熱泵能效監測系統，通過自控邏輯判斷始終選擇高效運行模式；同時對熱泵和大網供熱進行模式判斷，選擇經濟運行模式；系統設置了安全預警模式，在監測地下溫度場偏低時，及時切換運行模式保證運行安全；在過渡季監測地溫場恢復情況，適時啟動補熱措施，保證長期安全穩定運行。

項目采用可再生能源和余熱供暖，相對燃氣供暖，年節煤1420tce，年減排3500t 二氧化碳，環保效益非常可觀。

4 建設方案

鑒于項目技術先進性、復雜性，對設計、施工、運營要求高，常規的專項承包模式難以適應本分布式能源項目。經論證采用EPC總承包模式，選擇具有豐富設計、施工、集成經驗的單位來實施。通過EPC 總承包合同控制總投資、質量、安全、進度標準，規避建設風險。

地源換熱井全部布置在建筑車庫底板下，地源井的布置和施工與結構關系密切，經精心組織、優化論證，解決了多項關鍵問題，確保了施工質量。

4.1 管道穿底板防水問題

基礎底板面積大，多處地源干管需要穿底板進入地下車庫然后匯集到機房內。該區域地下水位高，水平管位于承壓水位下。為此采用了加強柔性防水套管，經試驗檢測套管和PE 管之間承壓能力在6kg 以上確保套管內部不漏水。底板墊層防水層和套管翼環融為一體，套管底部位于墊層以下30cm，套管頂部位于底板地面以上10cm，確保底部、外壁不滲水。

4.2 解決基礎擾動問題

基坑土方開挖時預留1m 覆土，鉆機設備在預留1m 覆土層進行鉆井作業。鉆井完成后開挖并清理預留1m 覆土，并連同水平管溝土方一同開挖，避免二次開挖破壞基礎底板。管溝回填材料采用細沙至墊層底標高，管底部10cm 輻射細沙，管頂30cm 內采用人工夯實，30cm 以上采用平板振搗器振搗，壓實系數達到0.96 以上，以滿足基礎承載力要求。

4.3 施工工序組織問題

依據總包基礎施工進度，劃分小流水單元，鉆井、換熱器安裝、水平管溝開挖、水平管道安裝、管溝回填五道工序流水作業，確保每個分區作業時間不超過20d，最終總體工作占用絕對工期不超過20d。

5 結語

本分布式能源供暖項目的成功實施，為集中供熱不足或熱力管網不到位、燃氣用能成本高等場景下，清潔供暖提供了可行技術路線。項目優先采用地熱能，不足情況下采用空氣能，將分布式能源和熱網耦合供熱，提升了熱網的供熱能力、提升了項目的安全保證，實現”清潔低碳、安全高效“的綠色發展理念。