专题调研
2018年第14期:关于利用地源热泵助力我省清洁供暖的
2018年8月10日 点击 [449]



关于利用地源热泵助力我省清洁供暖的

调研报告

 

省科顾委城乡建设环保专家

    

按照关于开展我省推广地源热泵技术可行性研究的通知要求,省科顾委城乡建设环保专家组就地源热泵以及其他相关清洁供暖技术在我省的应用适应性和应用前景进行了调研提出如下分析和建议。

一、省地温能资源禀赋特征

地温能是一种可更新、可供持续利用的绿色地质资源,它赋存于地下岩土体中,并受控于地层温度、岩性、地下水渗流、构造发育、基底埋深等诸多地质因素。相比于北方其他地区,省地温能具有浅部资源量贫瘠,中深层热资源量富集的典型二元分布结构。该现象是由特殊气候条件和地质条件共同决定的自然结果,也是我省地温能资源赋存的基本特征。

我省是地学界公认的中低温地热资源大省,省内发育中新生代大小盆地近20个,居住着我省约80%的人口。基于较高的地层温度场,盆地中可供开发利用的地温能资源储量巨大,可以作为能源结构调整中主要的绿色能源之一。

二、地源热泵在我省应用现状及分析

地源热泵系统是以地热能资源为主要冷热源,以电能为辅助动力,既能提供冬季采暖又可实现夏季制冷、还可提供生活热水的高效、低碳、绿色、环保的能源利用系统。地源热泵系统按取热方式主要分为地下水源热泵系统和土壤源热泵系统。我省地处严寒地区,冬季气温低、供暖时间长,从已有的地下水源热泵项目应用中发现,我省地下水源热泵系统运行效率低、回灌困难、设备损坏率高,最主要的是对地下水源影响很大、不适合长期使用。以下主要论证的地源热泵为土壤源热泵(包括浅层土壤源热泵、中深层土壤源热泵)。

(一)地源热泵主要工作原理和意义

地源热泵利用地下土壤温度相对稳定的特性,通过深埋于土壤中的管路系统,冬季从土壤中取热,向建筑物供暖;夏季向土壤排热,为建筑物制冷。通过输入少量的高品位电能,实现了低品位热能的转移和有效利用(1)。

 

1土壤源热泵系统

 

(二)不同地源热泵类型在我省应用的适应性分析

1.传统浅层地源热泵技术

我省处于严寒地区,应用传统浅层地源热泵技术(孔深200m以内)有三个显著特点:一是单位面积建筑负荷大、负荷持续时间长,需要提取的热量多。对于相同面积、朝向和满足相同节能标准的居住建筑来说,哈尔滨的需热量是北京的2倍。二是地下土壤温度低。北京地下100m深度处土壤温度大约为15℃,而哈尔滨相同深度土壤温度仅约6℃。三是土壤冷热平衡的匹配缺口更大。由于哈尔滨夏季冷负荷较小,可能导致地下土壤补热不充分,长期运行容易导致土壤冷坑,使系统失效。

虽然传统浅层地源热泵技术应用不存在技术难题,但更大的负荷需求、更低的土壤温度和土壤冷热的不匹配导致相同建筑面积的供暖需要更大的埋管长度,极大的削弱了经济性。初步测算表明,对居住建筑而言,哈尔滨所需埋管土地面积与建筑面积的比大约为1:1.8。埋管长度大约是北京的3倍,这意味着,需要3倍的土地用于埋管、3倍的初投资和近2.5倍的运行费用。

2.中深层地源热泵技术

地球本身总体上是一个向外散热的星体,随着土壤深度的增加,土壤温度逐渐升高。哈尔滨地区500m深度处土壤温度为13℃、1000m约为23℃。通过加大钻孔深度,采用中深层地源热泵技术(孔深500-1500m),浅层地源热泵技术在我省遇到的技术问题可以很大程度的得到缓解,其中采用中深层地源热泵技术,土壤温度显著提高,相同负荷所需的土壤换热面积显著下降。同时单孔长度增加、所提供的土壤换热面积成线性比例增加。这样,所需的孔数急速下降。初步测算表明,对于哈尔滨的相同建筑,采用1000m孔深的中深层地源热泵技术所需的孔数仅为浅层地源热泵技术(100m)的7%。这样可以降低90%的埋管土地需求,利用楼间距之间的空地基本就能满足埋管用地。孔深的增加,可以加大取热流体的温差,强化土壤传热,也有利于土壤温度的恢复,缓解可能出现的土壤冷热不平衡,避免出现土壤冷坑。

土壤温度的增加,有利于提高热泵系统的能效比,降低运行费用,提高经济性。

以哈尔滨某办公建筑为例,按照目前的价格水平,与集中供热相比,投资回收期测算结果如下表所示:

1 中深层地源热泵投资回收期测算

是否考虑补贴

投资回收期(年)

仅供暖

供暖供冷

16.3

8.9

10.6

5.8

说明:①计算条件:公共建筑执行50%的节能标准,集中供热入网费50元/m2、热费44.49元/m2·供暖期;电价0.8149元/kWh;

②考虑补贴参照《哈尔滨市2017年拆并淘汰燃煤小锅炉推进清洁能源使用财政资金补助管理办法》哈政办规〔2017〕41号。补贴金额为36元/m2

③“仅供暖”指的是中深层地源热泵与集中供热相比,“供暖供冷”指中深层地源热泵与集中供热+冷水机组相比。

数据来源:哈尔滨工业大学

(三)地源热泵应用技术研究与部分工程实例

1.浅层土壤源热泵工程实例

辰能溪树庭院小区2009年开始采用土壤源热泵技术,经历了考察、论证、系统设计、测试、系统施工、调试,实际投入运行等完整的过程,最终总计完成深度120米双U管土壤换热器地源井近1000口,总投资2000万元,为小区近17万平方米住宅、办公楼提供夏季空调制冷的冷源。由于哈尔滨浅层土壤温度为8℃~9℃,温度较低,因此对于夏季制冷有利,辰能溪树庭院项目地源系统是以满足小区夏季供冷为基础对地源系统进行设计。由于冬季采暖负荷大,对于与制冷相同面积的住宅冬季采暖热量不能满足供热标准要求,结合本小区的特点,为保持土壤源冷热平衡,地源系统冬季换取地下热能为5.5万平方米地下车库进行供热。每年节约采暖费用120万元,单位面积采用费用为22元/平方米,冬季能保证车库平均温度10℃以上。通过对车库供暖,解决了地源井冬夏冷热平衡问题,节约了能源使用,有效提高了机组使用效率。

在北方,浅层地源热作为一种辅助供暖,在有充足的空间及远离热源的分散节能建筑供暖体系中可以作为供热的一种选择方式,采用性能稳定、节能环保的土壤源热泵机组是地源热泵系统的重要环节,可因地制宜合理使用。由于初期投资大,因此科学的应用方案及论证,专业合理的设计,专业化的施工队伍,精细化的运营管理对减少投资及缩短投资回收期有着重要影响,每一项缺一不可。

2.中深层土壤源热泵工程实例

2015年11月,省地矿局针对传统地源热泵系统在我省应用过程中浅层地温能热量来源不足、热传导效率降低、持续开发不够稳定、运行成本偏高等关键问题,投入自有资金实施了“寒区地温能应用技术研究及工程试验”项目。围绕适宜于我省的地温能开采模式,重点开展了地温能地质勘查、应用技术研究、工程试验和系统监测等工作。

该项目通过对传统地源热泵技术的全面改进,研发了适用于寒区建筑供暖的地温能开采的新型技术,明确了适宜黑龙江省等高寒地区的中深层地温能开采层段、开采阈值、热源井布局方式,实现了在换热孔孔深、取热管结构、材质和介质循环方式上的技术突破,有效降低了建设和运行成本。

2017年,为了进一步验证地温能供暖效果,确保新型技术应用的可行性,省地矿局在松北区新建成1处单体建筑专门用于地温能供暖工程试验,从目前的运行情况和监测数据来看,试验效果非常理想。通过两年多的科学研究和工程实践,初步结论如下:在目前经济、技术条件下,省地温能资源的适宜开采深度在500米以下,传统认为的200米深度开采价值不大以哈尔滨地区为例,每平方公里地温能资源可持续开采资源量:500m深度3.11×1012KJ/a,折合标准煤10.6万吨/年,可供暖面积400万平方米;600m深度4.56×1012KJ/a,折合标准煤15.6万吨/年,可供暖面积600万平方米为避免地温能资源量超采,供暖系统瘫痪,在冷热源设计中,尤其是井间距、换热方式、空间布局以及开采阈值等设计参数必须在地质勘查基础上合理给出据工程试验数据,哈尔滨市地温能供暖建设成本综合单价在330元/建筑平米(该建设成本随着场区地质条件和市场价格的变化而调整);供暖运行成本主要与建筑围护结构、供暖运行方式等条件有关。根据试验工程实际运行费用测算,民用住宅或办公用房约20元/建筑平米,车间厂房(高度15m)约60元/建筑平米(不含人工及维护费用)。

黑龙江伟盛节能股份有限公司新建的低能源大厦,建筑面积25000m2,采用中深层土壤源热泵助力清洁供暖,两口井深分别为1000m、1200m,目前运行状态正常。供暖开始时供水温度35℃左右,然后缓慢下降,最终稳定在12℃左右,并可连续2~3小时取热。与南方相比,我省冬季气温低、供暖时间长、用热多等自然条件差些,但地下资源优势明显。松嫩平原地下热资源丰富,相比我国其它平原地区,我省地下热源是有优势的。浅源热泵已经出现了很多问题,相当一部分浅层土壤源热泵都报废了。浅层土壤源热泵的劣势主要表现为,布井数量太大、土地面积受限;易于形成“冷坑”,地温恢复能力差,满足不了长期使用的要求,不能与建筑同寿命。相比之下,中深土壤源热泵具有明显优势,黑龙江伟盛节能股份有限公司低能源大厦的建筑围护结构节能严格执行65%要求,只要按现有热源电量增加2~3倍提供充足的电力供应,将供热入网费交由提供地源热系统的企业,由提供地源能企业按现行热费标准收取12年热费,即可利用PPP模式做到零污染、零排放(供暖区域内)、政府零投入。

、我省清洁供暖技术路线分析

针对我省能源结构现状以及项目投资的经济性,在禁止新建、扩建分散燃煤供热锅炉的前提下,应按照“宜并则并、宜电则电、宜气则气,多元应用”的原则,推荐采用大、中型燃煤热电联产+智能化运行管理+其他清洁能源分散式供暖形式。清洁能源分散式供暖方式应结合实际情况选用,土壤源热泵就是其中的关键技术之一。

(一)目前我省清洁供暖技术及适应性简介

1.大、中型燃煤热电联产

绝大部分燃煤锅炉都没有安装除尘设施或设施老化,低空排放,强度大,污染物排放量大,是PM2.5的主要来源。应将这些污染较严重的燃煤锅炉逐步淘汰,在适宜并入集中供热管网的地区应当优先考虑大、中型燃煤热电联产的方式。

2.分散蓄能电锅炉

在我省直接通过电锅炉进行集中采暖是不合适的。相当于将高品位电能转化为低品位热能,使得高质能干低级活,同时还汇集了集中供热的所有弊端,能源利用率极不合理。绝不是清洁供暖的本来目的。考虑到我省电力资源丰富,冬季“弃风电”现象严重,可采用电锅炉蓄热技术,以二次能源电为消耗能源,通过电锅炉将电能转化为热能,通过蓄热水箱储存并在需要时释放热能。蓄热水箱可以将低谷用电时段的电能转化为热能储存起来(哈尔滨峰段工商业电价为每度1.2598元,谷段电价为每度0.4527元),供热用户在需要时使用,达到电网“削峰填谷”采暖经济运行的目的,同时保证了无污染物排放、无噪音污染、占地少;自动化程度高,运行安全可靠。

3.分散天然气供暖

同样需要着重指出的是,大型天然气燃气锅炉集中采暖同样是不合适的。这是由于该方式热损失较大(因管网系统较大),热效率相对最低;由于燃烧温度高,NOx排放总量相对最大。工程初投资、后期的运行费用均较高;且天然气是高品位能源,直接供暖不符合能源梯级利用的原则。可采用家用燃气壁挂炉采暖以及小型燃气锅炉分散采暖等方式,不仅使用便利,而且能耗低,污染小。

4.工业余热资源利用

余热指钢铁、石油、化工、建材、轻工、食品等各行业生产过程中,有可能回收和重复利用,但尚未回收利用的能量,如烟气余热、冷却介质余热、热电厂循环水余热、可燃废气、废料和废渣余热以及生活废水余热等。充分利用工业余热集中供热,减少燃煤供暖,是非常好的清洁供暖措施。

5.泳池式低温核供热堆

泳池式低温核供热堆是中国核工业集团针对北方城市供暖开发的第4代核供热技术。主要优点是在常压低温下运行,具有固有安全性好(可实现放射零排放,远低于燃煤锅炉炉渣的放射性)、可靠性高、技术成熟度高、系统简单、运行稳定、占地面积小、厂址适应性好(可贴近城市建设、更适于靠近城市居民区)、易退役(放射性源项小,是常规核电站的1%,退役时间短,退役彻底)。

核反应堆设在地下25m深的水池中,厂房地上为25m。通过2级换热器换热,换出93℃热水用于供热。泳池式低温核供热堆供热系统简单、维护简便(誉为傻瓜堆)建设投资约是同规模燃煤锅炉的2-3倍,使用寿命达到40-60年,是燃煤锅炉的2-4倍。经济性优于燃气,供热成本与燃煤锅炉房相当。一个400MW的泳池式低温核供热堆可供热800万m2,仅需要30人(操纵员12人),占地仅需要3.5亩。

核供热集团自带资金建设核供热厂,以向地方卖热的方式进行服务。如今已经有济南、烟台、青岛、包头、兰州、石家庄等城市有意愿引进核供热。省供暖时间长,清洁供暖压力大,供热成本高。可组织专门队伍,研究引进泳池式低温核供热问题。

6.污水源热泵技术

污水源热泵为哈尔滨工业大学原创清洁供暖技术,哈尔滨工大金涛科技股份有限公司经过长达9年的更新改进和严寒地区供热项目的安全稳定运行证明,污水源热泵系统技术已经成熟。其优势为,污水是可再生的废弃资源,如利用污水源热泵系统进行余热回收利用,利用过程无损耗、无二次污染、不会对生态环境产生不利影响。污水温度相对稳定,一般高于当地地下水2-3℃,如进行余热利用,可以更大程度的节省燃煤、天然气等能源,降低空气污染。污水规律的分布于城市地下空间,流量巨大变化趋势稳定可测,可以因地制宜建设分散式污水源热泵供热项目。其劣势为,污水总量受区域人口数量和工厂废水限制,因此只有在特定区域,一二级干渠污水流量巨大的区域才能建设区域污水源热泵供热能源站。因此一般只有在干渠的中下游或者利用污水处理厂中水进行清洁能源项目建设。

(二)我省可再生能源建筑示范市县应用情况简介

2009年被住建部批准为第一批可再生能源建筑应用示范市县开展省份,并给予了资金补助。目前可再生能源建筑示范市、县(镇)共有19个,应用面积1793.2万m2,包括4种技术应用类型(工业余热、浅层地下水源热泵、中深层土壤源热泵、污水源热泵),详见图2、图3。

 

2 四种技术类型项目应用数量比例   

3四种技术类型项目应用面积比例

数据来源:黑龙江省寒地建筑科学研究院

截止2017年末,省寒地建筑科学研究院完成了13个(3市、9县、1镇)988.2万m2可再生能源建筑应用项目的检测工作,覆盖了项目应用地区的68%、应用面积的55%,涵盖了4种技术类型。共参与检测可再生能源示范项目45个(热源数量),其中工业余热项目19个,浅层地下水源热泵项目23个,深层土壤源热泵项目2个,污水源热泵项目1个。

截止目前,我省可再生能源应用参与检测的45个示范项目中,已经停用的有16个项目,占36%的比例;其中工业余热19个项目中已停用2个、中深层土壤源热泵项目2个都正常运行、浅层地下水源热泵23个项目中有14个已停用(短期内不可再生趋势较为明显,松花江沿岸三江平原湿地区,100米以内深度的,水温基本在5-7℃)、污水源热泵项目1个正常运行。工业余热项目停用原因均为工业余热水供给出现问题,热水量不足或电厂停产或热水加价;浅层地下水源热泵项目停用原因分3类:回灌不利(沙土水层回灌不下去或回灌成本过高导致不回灌),设备锈蚀(水源处理不到位),热量不足(地下水量下降或地下水温度持续下降导致热量置换不足,无法保证室内温度)。

、结论与建议

(一)结论

近年来,我省雾霾频发且持续时间较长,已经引发了社会的强烈关注。以哈尔滨、大庆和齐齐哈尔3座城市为例,与我国标准相比,2014~2016年PM2.5的质量浓度平均值分别超标4.79%~83.50%;与美国环保署( USEPA) 的标准相比,超标达到205.6%~435.2%。在我省推进清洁供暖意义重大,可大幅度降低冬季供暖燃烧形成的 PM2.5 相关污染物的排放,从而降低冬季雾霾程度。

我省地处严寒地区,供暖首先要全面满足我省城乡建筑冬季采暖的需求。我省最好的减排方式是“少供热”,而建筑物良好的保温性能才是节能减排的关键,低能耗建筑是采用地源热泵或其它绿色可再生能源的基础。一是我省采用燃煤供暖是不可替代的,但利用地源热泵助力我省清洁化供暖是可行的。二是浅层土壤源热泵项目(深度小于200米)不宜大面积推广。浅层土壤源热泵布井数量大、土地面积占用量大;而且容易形成“冷坑”,地温恢复能力差,不能满足长期使用要求,从而应用受限。三是中深层土壤源热泵项目(深度大于500米),可建于地热资源丰富地区,适合应用于分散型建筑、拆除小锅炉、无法并入热网的建筑,如别墅、农村合作社等。中深层土壤源热泵系统应需充分论证、连续观察地温恢复情况,以保证系统与建筑物同寿命,满足长期使用的需要。四是污水源热泵项目可以个别应用,但要保证热源水充足,其运行成本较高、静态回收期长、受市政污水管理使用政策的影响较大。

(二)建议

我省冬季漫长且气温很低供暖直接关系到民生最基本的需求。实现清洁供暖必须因地制宜,要考虑热电协同,尽可能实现电、热、燃气构成的复杂能源系统优化。要避免简单粗暴、未进行充分论证的“煤改电”、“煤改气”,尤其是慎用直接电或燃气的集中供暖项目建设或改造。要从解决人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾出发,从环保的角度考虑,经过充分的技术经济可行性分析,结合我省能源政策,确定科学合理的技术方案并实现有序推进。一是建议设立专项资金,开展区域性地温能资源调查和重点场区地温能勘查工作,为地温能资源合理开发布局提供依据。二是进一步加强中深层地温能供暖技术研究,通过示范工程总结工程经验,初步建立“黑龙江地温能清洁供暖模式”。三是建议出台相关政策,支持鼓励利用地热能助力清洁供暖项目。四是要有科学的规划及专业的设计,地下土壤情况复杂,专业的勘察、设计尤为重要。

 

作者:房家智  省住房和城乡建设厅建筑节能与科技处副处长

    哈尔滨工业大学建筑学院教授

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