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湖南望城浅层地热能在既有能源站绿色低碳升级改造中的应用

浅层地热能,是指地下200 m以内蕴藏在岩土、地下水地表水城市污水等内部具有利用价值的热能资源,是一种绿色、低碳可再生能源。我国具有极为丰富的浅层地热能资源,年可开采量折合标煤可达7×108 t。利用浅层地热能集中供能其运行成本仅为燃气和电能等供能方式的1/3,且不产生碳氧化物、氮氧化物、硫化物等,因此利用浅层地热能替代燃气供暖制冷是当今实现“双碳”目标的重要举措之一。

 

1 项目概况

1.1 基本情况

本项目位于湖南省浅层地热开发利用试点区之一的望城,主要为办公建筑,总建筑面积18.5万m2,供暖制冷面积13.6万m2。现有能源站供暖制冷采用3台直燃式溴化锂机组,大机组2台(单台制冷量6 978 kW,制热量5 385 kW),小机组1台(单台制冷量4 652 kW,制热量3 582 kW)。溴化锂机组2014年投入运行,目前设备状态良好。根据实际数据记录,2022年能源站全年燃气用量约136.8万m3,用电量约148.5万kW·h。

1.2 供能分析

供冷季:5月15日~9月30日(6∶00~18∶00);供暖季:11月15日~次年3月31日(6∶00~18∶00),均为工作日开启。经过优创区域能源软件计算结果和实际运行情况,得出夏季总冷负荷13 911 kW,冬季热负荷10 720 kW;年供热量3 140 168.7 kW·h, 年供冷量6 513 741 kW·h。


2 冷热源方案确定

2.1 浅层地热能资源禀赋分析

根据项目场地附近所具有的浅层地热资源条件,分别从土壤地热能地下水地热能污水地热能再生水热能、江水地热能、湖水地热能等对冷热源方案的适应性进行分析,该项目可利用的浅层地热能为土壤地热能

 

2.2 能源站设备主机配置

根据《湖南省住房和城乡建设厅关于公布2020年浅层地热能建筑规模化应用试点项目的通知》,试点项目要求浅层地热供能占比不低于40%。该项目公园内可敷设地埋管的场地有限,约17 000 m2。从土壤冷热平衡、浅层地热供能占比及投资经济性考虑,本方案按浅层地热利用占比达到40%设置地埋管地源热泵。其他负荷不足部分,由燃气直燃机和冷水机组调峰补充。负荷分析结果见图1。

 

 湖南望城浅层地热能在既有能源站绿色低碳升级改造中的应用-地大热能

图1中阴影部分表示累计冷量和热量。系统热负荷在32%(3 430 kW)及以下时段,全年累计供冷供热量占了全年总供冷供热量的40.4%,因此以系统最大热负荷的32%配置地源热泵,就能满足浅层地热能利用占比达到40%的要求。另外,系统冷负荷在60%(8 346 kW)及以下时间段,全年累计供冷供热量占了全年总供冷供热量的87.3%,因此以系统最大冷负荷的60%配置电制冷机组,除去地源热泵能承担的冷负荷外,剩余电制冷负荷由冷水机组进行补充。而对于电制冷机覆盖不到的负荷,由于时间段较少,则使用直燃机调峰。这种方式实现了少开直燃机,也避免了冷水机组配置较大但基本上处于部分负荷运行,造成投资增加的情况。

 

以系统最大热负荷的32%配置地源热泵,新增地源热泵2台(单台制热量1 772 kW,制冷量1 582 kW),冬季地源热泵运行为主,供热不足时由原有的燃气直燃机调峰补充。夏季以最大冷负荷的60%配置电制冷机组,除去地源热泵制冷外,另新增1台冷水机组(制冷量4 572 kW)。夏季以地源热泵制冷为主,供冷不足时按顺序利用冷水机组、直燃机调峰补充。浅层地热能供能占比见表3。

湖南望城浅层地热能在既有能源站绿色低碳升级改造中的应用-地大热能 

 

为了维持土壤冷热平衡,浅层地热全年供冷、供热量应相等,夏季多余的热量通过冷却塔散到空气中。冬季热泵机组供热时,土壤实际取热量为195.8万kW·h(除掉机组散热),因此浅层地热全年供冷供热量总计为391.6万kW·h。能源站全年供冷供热量为965.4 万kW·h, 浅层地热供冷供热占比为40.4%。


2.3 室外地埋管设置

采用垂直地埋管系统,根据热物性测试报告得知单位延米换热量为45.2 W。经过地源热泵设计软件热平衡计算所需钻孔数量为566个,单个钻孔深度为100 m, 钻孔直径130 mm, 双U型管,钻孔间距5 m×5 m, 地埋管占地面积约14 150 m2。根据地源热泵软件模拟,地源热泵运行20年后地下土壤温升1.1 ℃,满足土壤热平衡的要求。

 

3 改造后综合效益分析

1)经济效益

原有燃气溴化锂机组供能系统燃气耗量136.8万m3/年,用电量148.5万kW·h/年;采用土壤源地源热泵改造后,燃气耗量24.3万m3/年,用电量267.1万kW·h/年。根据2023年湖南天然气价格、电价政策(天然气价格为4.375元/m3、电价0.634元/(kW·h)),则改造前运行成本692.6万元/年,改造后运行成本275.6万元/年,能源使用成本节省量达到417.0万元/年,节省比例达到60%。项目新增投资2 320万元(含土建、设备、安装等费用),增量投资回收期约5.6年。


2)环境效益分析

浅层地热能属于可再生能源,地源热泵运行过程中不排放污染物和产生温室气体。原有燃气溴化锂供能方案,标煤年耗量约为2 276.8 t, CO2年排放量约4 442.6 t。采用土壤源地源热泵改造后,标煤年耗量约为1 145.9 t, CO2年排放量约3 196.3 t。标煤耗量减少比例达到49.7%,CO2排放量减少比例达到28.1%。


3)社会效益分析

利用浅层地热能替代传统燃气供暖制冷,减少了燃气消耗,降低了碳排放,能助力我国“双碳”目标的早日实现,也对全国实现浅层地热能建筑规模化应用起到引领示范作用。


4 结语

以浅层地热能替代传统燃气供冷供热,既经济节能又低碳环保,符合国家“双碳”战略目标要求。在长沙市新的天然气政策下,采用土壤地热能替代部分燃气供暖制冷后,节省运行费用417.0万元/年,节省比例达到60%。标煤耗量减少比例达到49.7%,CO2排放量减少比例达到28.1%。