王冰，夏雨波，劉東林，宗振海，張森

（1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津300250；2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

能源和環(huán)境是當(dāng)今人類面臨的兩大問題。隨著我國人民生活水平的不斷提高和各項事業(yè)的迅速發(fā)展，能源緊缺問題日益得到廣泛的關(guān)注，而石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，研究能源和環(huán)境問題又迫在眉睫[1]。近年來，地?zé)崮?、太陽能等作為環(huán)保、清潔、可循環(huán)利用的資源受到了社會的青睞，發(fā)展尤為迅速[2]。天津市蘊藏著豐富的中低溫地?zé)豳Y源[3]，具有豐富的可再生能源優(yōu)勢，因此綜合利用地?zé)豳Y源和其他可再生能源成為地?zé)豳Y源開發(fā)利用研究的一個新的方向[4,5]。地?zé)豳Y源綜合利用是以地?zé)豳Y源為核心，結(jié)合太陽能、燃氣鍋爐等資源，將各能源的優(yōu)勢有機結(jié)合，優(yōu)化利用，提高能源利用效率，以滿足區(qū)域供熱與供冷等負荷需求。地?zé)豳Y源綜合利用能夠根據(jù)各能源的特點，充分發(fā)揮各種能源系統(tǒng)在各自最佳節(jié)能區(qū)間的使用效率，做到最大化節(jié)能，從而達到促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境的目的。因此，地?zé)豳Y源綜合利用是以地?zé)豳Y源為核心，結(jié)合太陽能、燃氣鍋爐等資源，將各能源的優(yōu)勢有機結(jié)合，優(yōu)化利用，提高能源利用效率，以滿足區(qū)域供熱與供冷等負荷需求。地?zé)豳Y源綜合利用能夠根據(jù)各能源的特點，充分發(fā)揮各種能源系統(tǒng)在各自最佳節(jié)能區(qū)間的使用效率，做到最大化節(jié)能，從而達到促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境的目的。因此，研究多種能源綜合利用，對促進能源結(jié)構(gòu)的完善、生態(tài)環(huán)境的改善和社會的可持續(xù)發(fā)展等都有十分重要的意義。本文以天津中醫(yī)藥大學(xué)新校區(qū)供熱能源站為例，介紹能源站采用深層地?zé)帷\層地?zé)?、太陽能和燃氣等多種能源綜合利用的供熱系統(tǒng)，并進行效益評價。從能源綜合利用的角度為地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用和保護提供依據(jù)，為多種可再生能源集成和北方地區(qū)建設(shè)“無煙校區(qū)”提供示范作用。

1 資源條件

能源站坐落于天津市靜海區(qū)團泊湖畔健康產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，占地2 600余畝，建筑面積60余萬平方米。供暖面積約34.59萬m2。能源站具有豐富的外部資源條件。

1.1 地?zé)豳Y源

能源站于2013年開鑿了兩眼寒武系地?zé)峋?，地?zé)峋幪枮镴H-14和JH-14B，其中，JH-14為四開定向井，JH-14B為四開直井，成井深度分別為3 039.78 m和1 946.76 m（表1），兩眼井主要用于能源站的冬季供暖。

JH-14井和JH-14B井構(gòu)造位置處于Ш級構(gòu)造單元滄縣隆起之Ⅳ級構(gòu)造單元雙窯凸起的中部偏西位置，雙窯凸起位于滄縣隆起南部，西以天津斷裂為界與大城凸起相鄰，東以白塘口西斷裂為界與白塘口凹陷相接，總體為一走向北北東，傾向北西西的單斜構(gòu)造，基巖面為奧陶系、寒武系和中新元古界，基巖頂板埋深為1 000～1 200 m。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有天津斷裂（圖1）。

表1 能源站地?zé)峋闆r表Tab.1 List of geothermal wells in the energy station

1.2 太陽能資源

天津地區(qū)的太陽總輻射強度較高，天津市氣象臺獲取的地區(qū)太陽能資源情況表明，近30年平均太陽總輻射為5 966 MJ/m2，最多的年份達6 409.7 MJ/m2（1983年），最少的年份為5 400.4 MJ/m2（2003年），相差1 000 MJ/m2。從典型年的分析來看，天津的太陽總輻射具有很好的利用價值。通過分析近30年來天津太陽總輻射特征，按照中國太陽能資源的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[6]屬于ⅡC/X（5/7）h，天津?qū)儆谔柲苜Y源較豐富帶（Ⅱ）；這里日照時數(shù)≥6小時天數(shù)出現(xiàn)最多的季節(jié)是春季（C），最少的是夏季（X）；5月份是太陽能利用天時最多的典型月份，7月份是太陽能利用天數(shù)最少的典型月份；一天中利用太陽能最有利的時段是下午（h）。因此，天津太陽能資源具有良好的開發(fā)前景。

圖1 JH-14、JH-14B地?zé)峋畼?gòu)造位置圖Fig.1 Structure location of the JH-14 and JH-14B geothermal wells

1.3 其它資源

能源站的地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)屬于Ⅱ級適宜區(qū)，水文地質(zhì)條件、溫度場及熱物理性質(zhì)條件中等，較利于地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，適于開發(fā)淺層地?zé)豳Y源。能源站的西北方向有城市天然氣，能源站內(nèi)設(shè)置調(diào)壓站和燃氣調(diào)壓箱各一座，調(diào)壓站占地面積42 m2，調(diào)壓箱占地面積8 m2，已經(jīng)完成和燃氣部門的對接，可以滿足能源站需求。能源站配有全套變電站設(shè)備，35 kV電源引自北洋110 kV變電站和迎豐220 kV變電站，能源站電力滿足需求。

2 工藝流程介紹

能源站具有豐富的可再生能源優(yōu)勢，充分利用了淺層和深層地?zé)?、太陽能等可再生能源，由單一能源向多種能源綜合利用發(fā)展，增加能源利用的靈活性、節(jié)能型、安全性。該能源站結(jié)合國家的能源政策及綠色國家建設(shè)目標(biāo)，利用先進的、成熟的、可行的技術(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)集成、運行管理等措施，在能源系統(tǒng)全生命周期內(nèi)實現(xiàn)綠色、環(huán)保、生態(tài)、安全、可再生能源利用、節(jié)能、節(jié)省投資的目標(biāo)。

能源站結(jié)合項目冷熱負荷分析，項目區(qū)域具備的能源資源，能源需求和特點等，將能源方案確定為地?zé)崃黧w梯級利用水源熱泵系統(tǒng)+地源熱泵系統(tǒng)+太陽能生活熱水系統(tǒng)+地?zé)峋畠釗Q熱系統(tǒng)+燃氣熱水鍋爐調(diào)峰補熱系統(tǒng)的多種能源綜合利用系統(tǒng)（圖2），能源站提供建筑冷負荷17 805 kW，熱負荷27 471 kW，生活熱水熱負荷3 000 kW[7]。

2.1 水源熱泵系統(tǒng)

地?zé)豳Y源梯級開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)和理念完全基于不增加地?zé)衢_采量，通過發(fā)揮地板輻射采暖的優(yōu)勢，利用先進的節(jié)能型熱泵技術(shù)，自動化控制系統(tǒng)等手段，合理調(diào)配整體能源配置和供能比等關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 能源站工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of the energy station

該項目利用已開鑿?fù)瓿傻囊粚Φ責(zé)峋↗H-14、JH-14B），建立梯級利用水源熱泵系統(tǒng)，采用二級換熱，出水溫度降至8℃。一級利用后，二級水源熱泵機組水源側(cè)采用串聯(lián)連接，該方案可增加第一臺水源熱泵機組能效13%，降低水源側(cè)水泵流量50%，節(jié)能效果顯著。熱泵系統(tǒng)提供熱量8 790 kW，提供冷量4 955 kW，冷量不足部分設(shè)單冷水機組供冷，冷水機組提供冷量4 200 kW。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)

在能源站中心島的水底和室外球場設(shè)置井深120 m、雙U型管的地埋管換熱器，選擇水為傳熱介質(zhì)，共設(shè)置1 924個地下豎直地埋管換熱器。夏季換熱井溫度為25～30℃，冬季換熱井溫度為5～10℃。土壤熱響應(yīng)測試另行委托測試單位進行。西區(qū)能源站夏季向地埋管放熱，放熱溫度30～25℃，冬季從地埋管取熱，取熱溫度為5～10℃。室外地埋管干管為異程式支狀管網(wǎng)布置，組團干管為同程式布置，系統(tǒng)工作壓力0.80 MPa，試驗壓力1.20 MPa。在每個地埋管組團設(shè)地溫場檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)冬夏季的冷熱平衡。地源熱泵系統(tǒng)提供熱量9 920 kW，提供冷量8 650 kW。

2.3 燃氣鍋爐調(diào)峰系統(tǒng)

設(shè)置模塊化燃氣熱水鍋爐，提供熱量7 860 kW，采用模塊化設(shè)置利于逐臺投入運行，避免能源浪費。以較小的投資保證了任一種能源系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)極端天氣及連續(xù)霧霾和陰雨雪天氣時能源的供給，以低投入高產(chǎn)出的能源形式，大幅度提升了能源系統(tǒng)的安全性。燃氣鍋爐采用模塊化直流式燃氣（天然氣）熱水鍋爐，單臺鍋爐的熱負荷為0.657 MW，熱效率≥92%。

2.4 太陽能生活熱水系統(tǒng)

在建筑屋頂設(shè)置太陽能生活熱水系統(tǒng)，秋分日每天產(chǎn)50℃生活熱水80 t，集熱面積1 585.6 m2，供水時間為24 h，采用全玻璃真空管型太陽能集熱器。同時在能源站地下室設(shè)20 t儲熱水箱利用夜間熱負荷減少時旁流地?zé)峋M行換熱儲熱，采用太陽能和地?zé)峋畵Q熱二種可再生能源保證生活熱水需求，極端天氣時開啟燃氣鍋爐換熱。

2.5 自動化控制系統(tǒng)

能源站地?zé)釗Q熱站系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護將以分散控制系統(tǒng)（DCS）為主，輔以少量的其它控制系統(tǒng)完成。地?zé)釗Q熱站設(shè)置DCS系統(tǒng)，可以動態(tài)實時監(jiān)控供水泵、循環(huán)泵及加壓泵、調(diào)峰熱泵機組、傳動裝置及電動閥門、電動調(diào)節(jié)閥門等，根據(jù)供熱供水的具體工況隨時調(diào)整，實現(xiàn)全過程的自動在線控制從而控制地?zé)峋拈_采回灌量，使系統(tǒng)的運行經(jīng)濟、穩(wěn)定。所有管理操作站均采用標(biāo)準(zhǔn)WEB瀏覽器界面，具有統(tǒng)一的操作界面和同等使用功能，能實時動態(tài)顯示系統(tǒng)所集成的各子系統(tǒng)經(jīng)授權(quán)選擇的設(shè)備工作狀態(tài)及報警信息，授權(quán)顯示及設(shè)定各種參數(shù)值。自動控制系統(tǒng)具有使用簡便靈活、多窗口顯示和系統(tǒng)安全等特點。

3 效益評價

能源站將為北方地區(qū)老校區(qū)改造和新校區(qū)建設(shè)成為“無煙校區(qū)”提供示范作用，成為天津市乃至全國示范工程，可以為節(jié)約型校園建設(shè)、多種可再生能源集成進行示范。

能源站建成地?zé)豳Y源梯級利用水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、太陽能生活熱水和地?zé)峋归g換熱儲熱系統(tǒng)、燃氣鍋爐調(diào)峰系統(tǒng)等多種綠色、環(huán)保、可再生能源綜合利用系統(tǒng)，充分發(fā)揮各種能源系統(tǒng)在各自最佳節(jié)能區(qū)間的使用效率，做到最大化節(jié)能，在滿足需求的前提下最大限度地保護了環(huán)境。實現(xiàn)地?zé)崴菁壚?，降低尾水溫度，提高地?zé)崴睦寐剩?jié)約了地?zé)豳Y源，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的保護性開發(fā)，為地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用創(chuàng)造了條件，產(chǎn)生了良好的社會效益。

能源站系統(tǒng)的年總運行費用為791.61萬元，單位面積運行費用為25.87元，與幾種常規(guī)供暖方式（除煤以外）相比，地?zé)峁峤Y(jié)合熱泵技術(shù)具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。

能源站可再生能源利用率66.4%，生活熱水系統(tǒng)可再生能源利用率80%，極端天氣時開啟燃氣鍋爐。供暖空調(diào)系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 206 t，與燃煤供熱相比每年減少向大氣中排放的二氧化碳、二氧化硫等氣體及煤灰碴共10 587 t，每年可節(jié)省環(huán)境治理費用約116.98萬元，環(huán)境效益顯著[8]。

4 結(jié)論及建議

（1）能源站采用多種可再生能源綜合利用系統(tǒng)，充分發(fā)揮各種能源系統(tǒng)在各自最佳節(jié)能區(qū)間的使用效率，做到最大化節(jié)能，供熱面積為34.59×104m2；通過增加熱泵機組，提高了地?zé)豳Y源的梯級利用水平，地?zé)嵛菜毓鄿囟葹?℃。

（2）能源站每年可減少向大氣中排放的二氧化碳、二氧化硫等氣體及煤灰渣共10 587 t，每年可節(jié)省環(huán)境治理費用116.98萬元，具有顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

（3）該項目的建設(shè)的工藝原理、工作方法、技術(shù)要求及管理經(jīng)驗可作為同類型工程建設(shè)的典范，本工程可以為節(jié)約型校園建設(shè)、多種可再生能源集成進行示范。

[1]鹿清華，張曉熙，何祚云.國內(nèi)外地?zé)岚l(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].石油石化節(jié)能與減排，2012，2（1）:39-42.

[2]Ucar A,Inalli M.Thermal and economical analysis of a central solar heating system with underground seasonal storage in Turkey[J].Renewable Energy 2005，（30）:1005-1019.

[3]劉杰，宋美鈺，田光輝.天津地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀及可持續(xù)開發(fā)利用建議[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2012，35（1）:67-73.

[4]王帥杰.新鄉(xiāng)市地?zé)豳Y源綜合利用的研究[D].南京理工大學(xué),2012.

[5]徐立.江蘇地區(qū)地?zé)豳Y源綜合利用研究[D].南京大學(xué),2014.[6]王炳忠.中國太陽能資源利用區(qū)劃[J].太陽能學(xué)報,1983,4（3）:221-225.

[7]天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院.天津中醫(yī)藥大學(xué)新校區(qū)地?zé)豳Y源綜合利用示范工程建設(shè)專題報告[R].天津：天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，2017.

[8]關(guān)鋅.地?zé)豳Y源經(jīng)濟評價方法與應(yīng)用研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2013.