北京市某科技商务中心区域综合能源系统规划

朱兆虎， 侯咏梅

(1.北京市公用工程设计监理有限公司，北京100124；2.济南热电有限公司，山东济南250000)

1 概述

能源规划在我国具有重要的实际意义，对某区域进行有针对性的能源规划尤其必要[1]。区域综合能源系统是解决能源问题最有效的方法之一[2]。区域综合能源系统是集成多种能源输入、输出以及多种能源转换设备，通过对能源的生产、传输、分配、转化、储存和消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源产供销一体化系统，该系统以电力系统为核心，冷、热、电、气、储多能融合，可以实现多能源协同优化互补和能源梯级利用。

本文区域综合能源系统规划主要研究北京市某科技商务中心(以下简称科技商务中心)2 719.19×104m2建筑面积的用能需求，重点研究区域建筑供热、供冷、生活热水、天然气和供电解决方案，在满足用能安全、可靠的前提下，提高可再生能源利用率和综合能源利用效率。

2 外部资源条件分析

① 太阳能

科技商务中心所在区域具有较好的太阳能利用条件。太阳能年累计辐照度可达5.5×103MJ/m2，日照时数为2 684 h，日照百分率达68%，太阳能资源属于三类地区。

② 污水

科技商务中心规划污水处理厂1座，处理规模为25×104m3/d。

③ 天然气

科技商务中心周边已建成天然气厂站设施3座，其中，高压B-次高压A调压站2座，次高压A-中压A调压站1座。高压B管道17.7 km,次高压A管道3.3 km,中压A管道27 km。天然气的低热值为35.544 MJ/m3。

④ 电力

科技商务中心规划220 kV变电站3座，每座变电站的终期设计容量为4×180 MVA，建设形式为全户内站；110 kV变电站14座。

3 区域用能特点

规划实施后科技商务中心将是“宜居、宜业、宜游”的高端现代化科技商务中心区和国际化高端综合服务区，建筑主要分为公建类、居住类建筑，建筑用能特点如下：

① 公建类建筑：冷、热、电负荷具有峰谷特性，且人员流动量大，夏季空调、冬季供热能耗较高。规划区域此类建筑主要有教育建筑、办公建筑、医疗建筑、商业建筑和文化建筑。

② 居住类建筑：夏季冷负荷具有不确定性，冬季热负荷较为稳定，电负荷在一天中具有峰谷特性。规划区域此类建筑主要有住宅建筑和别墅建筑。

4 区域负荷需求测算

科技商务中心控制性详细规划明确了建筑群的功能和面积等控制性参数，按照CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》和DB11/T 1440—2017《市政基础设施专业规划负荷计算标准》中单位建筑面积负荷指标测算区域热负荷、冷负荷、生活热水负荷、天然气年耗气量和用电负荷。经测算，区域热负荷需求为1 266 MW，冷负荷需求为1 672 MW，生活热水负荷需求为30.55 MW，天然气年耗气量为12 452×104m3/a，用电负荷需求为779 MW。单位建筑面积负荷指标见表1，区域负荷需求测算见表2，表1、表2中“—”表示该项内容不考虑。

本文天然气年耗气量指居民生活用气量和商业用气量，不包括燃气锅炉供热系统、燃气冷热电三联供系统和生活热水辅助热源等系统的耗气量。

表1 单位建筑面积负荷指标

表2 区域负荷需求测算

5 区域综合能源系统规划方案

5.1 供热规划方案

供热规划采用区域供热的形式，只考虑用户供暖，不考虑生活热水需求，规划以燃气锅炉供热系统(含燃气供暖热水炉)和燃气冷热电三联供系统为主，地埋管地源热泵系统和污水源热泵系统作为有效补充。燃气锅炉供热系统(含燃气供暖热水炉)主要解决住宅建筑和工业建筑供热需求，设置于负荷中心，为集中供热系统。燃气冷热电三联供系统主要解决办公建筑、医疗建筑、商业建筑和文化建筑等建筑的供热需求，结合建筑项目位置设置，为分散供热系统。地埋管地源热泵系统主要解决教育建筑和别墅建筑供暖需求，结合建筑项目位置设置，为集中供热系统。污水源热泵系统结合污水干渠的位置设置，为周边办公建筑供热，为集中供热系统。供热规划负荷分配、占比及年供热量见表3。年供热量根据CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》(以下简称CJJ 34—2010)第3.2.1条计算得出。

表3 供热规划负荷分配、占比及年供热量

燃气锅炉供热系统和燃气冷热电三联供系统消耗天然气。依据系统年供热量和效率计算一次能源天然气年消耗量。燃气锅炉供热系统热效率按GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》(以下简称GB 50189—2015)第4.2.5条要求不低于90%，本文按90%计算，燃气锅炉供热系统一次能源天然气年消耗量为1 615 236 GJ，折算天然气年耗气量为4 544.33×104m3。燃气冷热电三联供系统是集供热、供冷和供电于一体的供应系统，规划阶段无法确定其各自效率，按其年平均能源综合利用率计算一次能源天然气年消耗量和折算天然气年耗气量，计算结果见第5.5节。

地埋管地源热泵系统和污水源热泵系统(以下将两者统称为热泵系统)提取土壤热量和污水热量等可再生能源，消耗来自微电网调度中心电能，其性能系数COP按GB/T 19409—2013《水(地)源热泵机组》(以下简称GB/T 19409—2013)第5.3.16条要求不低于4.4，本文按4.4计算。依据系统年供热量和性能系数COP计算电能消耗量和可再生能源利用量，可再生能源利用量等于年供热量与电能消耗量的差值。冬季工况热泵系统电能消耗量和可再生能源利用量见表4。热泵系统电能由微电网调度中心统一供应，因微电网调度中心汇集市政电网、燃气冷热电三联供系统和太阳能光伏发电系统等三大系统电能于一体，无法分辨热泵系统电能具体由哪一供电系统供应，故本文不单独计算热泵系统电能消耗量折算一次能源天然气消耗量，由第5.5节按总供电量统一考虑折算一次能源天然气年消耗量，其中就包含热泵系统电能年消耗量折算一次能源天然气年消耗量。

表4 冬季工况热泵系统电能消耗量和可再生能源利用量

5.2 供冷规划方案

区域供冷以燃气冷热电三联供系统为主，地埋管地源热泵系统和污水源热泵系统作为有效补充。燃气冷热电三联供系统主要解决办公建筑、医疗建筑、商业建筑和文化建筑等建筑的供冷需求，结合建筑项目设置，为分散供冷系统。地埋管地源热泵系统主要解决教育建筑和别墅建筑的供冷需求，结合建筑项目设置，为集中供冷系统。污水源热泵系统结合污水干渠的位置设置，为周边办公建筑供冷，为集中供冷系统。供冷规划负荷分配、占比及年供冷量见表5。

表5 供冷规划负荷分配、占比及年供冷量

燃气冷热电三联供系统是集供热、供冷和供电于一体的供应系统，规划阶段无法确定其各自效率，按其年平均能源综合利用率计算一次能源天然气年消耗量和折算天然气年耗气量，计算结果见5.5节。热泵系统的能效比EER按GB/T 19409—2013第5.3.16条要求不低于4.3，本文按4.3计算。依据系统年供冷量和能效比EER计算电能消耗量，夏季工况热泵系统电能年消耗量见表6。

热泵系统电能由微电网调度中心统一供应，因微电网调度中心汇集市政电网、燃气冷热电三联供系统和太阳能光伏发电系统等电能于一体，无法分辨热泵系统电能具体由哪一供电系统供应，故本文不单独计算热泵系统电能消耗量折算一次能源消耗量，由第5.5节按总供电量统一考虑折算一次能源天然气年消耗量，其中就包含热泵系统电能年消耗量折算一次能源天然气年消耗量。

表6 夏季工况热泵系统电能消耗量

5.3 生活热水规划方案

根据各类型建筑用热特征，生活热水系统以太阳能生活热水系统为主。当太阳能提供热量不足时，由燃气锅炉作为辅助热源加热供应。规划太阳能生活热水系统皆为分散供应系统，主要适用于办公建筑、教育建筑、医疗建筑、商业建筑、文化建筑和别墅建筑的生活热水供应。生活热水规划负荷分配、占比和年供热量见表7。年供热量根据CJJ 34—2010第3.2.1条计算得出。

表7 生活热水规划负荷分配、占比和年供热量

因太阳能生活热水系统太阳能转换为热量过程中不消耗天然气和燃煤等其他输入能源，系统消耗极少电能，本文忽略不计，年供热量视为净得能量，故不考虑折算一次能源消耗量。对于辅助热源燃气锅炉一次能源天然气消耗量，燃气锅炉供热系统热效率按GB 50189—2015第4.2.5条要求不低于90%，本文按90%计算，年一次能源天然气消耗量为336 001 GJ，折算年一次能源天然气耗气量为945.31×104m3。

5.4 天然气供应规划方案

各类建筑用天然气和燃气冷热电三联供系统用气由区域内规划天然气中压管网统一供应，燃气锅炉供热系统用气由次高压A-中压A调压站供应。

天然气年耗气量为12 452×104m3，折算热量为4 425 939 GJ，一次能源天然气消耗量等于耗气量。

燃气锅炉供热系统一次能源天然气年消耗量和折算天然气年耗气量见第5.1节和第5.3节，燃气冷热电三联供系统一次能源天然气消耗量和折算天然气年耗气量见5.5节。

5.5 供电规划方案

规划区域用电负荷由市政电网、燃气冷热电三联供系统和太阳能光伏发电供电系统联合供应，电能统一汇集到微电网调度中心，再由微电网调度中心统一分配供应。供电规划负荷分配、占比及年供电量见表8。

表8 供电规划负荷分配、占比及年供电量

区域内所有用户用电量皆由微电网调度中心统一分配供应，为了便于分析计算，本文将供电量单位MW·h统一折算为GJ，由表8可知，微电网调度中心年总供电量为8 046 691 GJ。根据《国家能源局关于建立可再生能源开发利用目标引导制度的指导意见》(国能新能[2016]54号)的要求，北京市2020年全社会用电量中非水电可再生能源电能消耗量占总电能消耗量的10%。本文的规划项目中太阳能光伏发电供电系统属于可再生能源，太阳能光伏发电供电系统年供电量281 491 GJ，在市政电网供电量中可再生能源供电量的比例为12.3%(即市政电网所供电量中可再生能源供电量为523 178 GJ)的条件下，微电网调度中心年供电量中总共含804 669 GJ可再生能源供电量，可再生能源供电量达到总供电量的10%。因可再生能源(例如风能和光能等)转化为电能过程中无需额外消耗电能和天然气等其他输入能源，故不考虑折算一次能源消耗量。市政电网中其余3 732 022 GJ供电量所消耗的燃料按燃煤考虑，发电效率按40%计算，折算燃煤消耗量的热量为9 330 055 GJ。

燃气冷热电三联供系统消耗天然气，其年平均能源综合利用率按CJJ 145—2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》第1.0.5条要求应大于70%，本文按70%计算，由第5.1节、5.2节和5.5节可知其供热量、供冷量和供电量分别为1 409 211 GJ、4 050 691 GJ和3 510 000 GJ，不考虑冷热量与电能的品位差别，燃气冷热电三联供系统热、冷、电的总供应量为8 969 902 GJ,一次能源天然气年消耗量为12 814 146 GJ，折算天然气年耗气量为36 051.50×104m3。

规划区域属于太阳能资源较为丰富的地区，规划于教育建筑、医疗建筑、商业建筑、文化建筑、别墅建筑等建筑合适位置及污水处理厂的氧化沟盖板上设置太阳能光伏发电供电系统，利用太阳能进行发电，总设计规模60 MW，年供电量为281 491 GJ。因太阳能光伏发电系统太阳能转化为电能过程中无需额外消耗电能和天然气等其他输入能源，故不考虑折算一次能源消耗量。

6 规划方案实施关键技术

6.1 燃气锅炉供热系统

燃气锅炉供热系统按街区设置，为直接供热系统，不设置换热站。天然气进入燃气锅炉燃烧加热回水至设定供水温度，热水送至用户散热降温后，进入烟气余热回收换热器，吸收烟气余热后返回燃气锅炉继续加热，往复循环，满足用户供热需求。燃气锅炉供热系统流程见图1。

图1 燃气锅炉供热系统流程

6.2 燃气冷热电三联供系统

燃气冷热电三联供系统的主要设备包括燃气轮机、发电机、余热锅炉、吸收式制冷机和换热器。天然气和空气进入燃气轮机混合燃烧产生烟气，烟气做功推动发电机发电，生产的电能输送至微电网调度中心，烟气进入余热锅炉。余热锅炉吸收来自燃气轮机烟气余热生产蒸汽，蒸汽夏季进入吸收式制冷机作为驱动热源，冬季进入换热器换热，凝结水返回余热锅炉，往复循环。当供热量不足时，可补充天然气进入余热锅炉燃烧补热。夏季工况吸收式制冷机运行，冷水在吸收式制冷机放热降温后，输送至用户吸收热量，满足用户制冷要求，最后返回吸收式制冷机，往复循环。冬季工况换热器运行，热水在换热器与蒸汽换热，吸收热量温度升高，输送至用户放热，满足用户供暖要求，最后返回换热器加热，往复循环。燃气冷热电三联供系统流程见图2。

图2 燃气冷热电三联供系统流程

6.3 太阳能生活热水系统

太阳能生活热水系统是利用太阳能收集器收集太阳能辐射热量来满足用户生活热水需求的系统，为保证用户生活热水即开即用，系统设置循环水管道。自来水进入太阳能收集器加热升温后储存到蓄热水箱中，再输送至用户。因太阳能受季节和天气影响较大，且部分建筑生活热水负荷较大，太阳能生活热水系统需设置辅助热源，辅助热源设备主要采用电加热器、燃气锅炉和燃气供暖热水炉。太阳能生活热水系统流程见图3。

图3 太阳能生活热水系统流程

6.4 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统流程见图4，图4中标示的供水、回水，冬季指热水供水、热水回水，夏季指冷水供水、冷水回水。

图4 地埋管地源热泵系统流程

冬季工况，地埋管侧回水通过地埋管换热器从土壤中吸收热量，地埋管侧供水输送至地埋管地源热泵放热，最后回到地埋管换热器继续吸热。热水回水进入地埋管地源热泵吸收地埋管侧供水的热量和热泵压缩机耗功，温度升高，热水供水输送至用户放热，满足用户供热需求。

夏季工况，地埋管侧回水通过地埋管换热器往土壤中放热，地埋管侧供水输送至地埋管地源热泵吸收用户冷量和热泵压缩机耗功，最后回到地埋管换热器继续往土壤中放热。冷水回水进入地埋管地源热泵放热，温度降低，冷水供水输送至用户吸热，满足用户制冷需求。

6.5 污水源热泵系统

污水源热泵系统流程见图5，图5中供水、回水冬季指热水供水、热水回水，夏季指冷水供水、冷水回水。

规划于污水干渠沿线建设污水源热泵系统。污水源热泵系统从污水干渠上游通过提升井和污水泵提取原生污水，原生污水经全智能污水防阻机过滤杂质后，由污水泵送入污水源热泵换热，然后返回全智能污水防阻机，将其过滤杂质反冲洗后排放至污水干渠下游。

冬季工况，热水回水进入污水源热泵吸收过滤污水热量和热泵压缩机耗功，温度升高，热水供水输送至用户放热，满足用户供热需求。

图5 污水源热泵系统流程

夏季工况，冷水回水进入污水源热泵放热，温度降低，冷水供水输送至用户吸热，满足用户制冷需求。

6.6 太阳能光伏发电供电系统

太阳能光伏发电供电系统是根据光伏效应原理,利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，电能输送到微电网调度中心，再统一为用户供电。太阳能电池方阵接收太阳能并将其转化为直流电，直流电进入逆变器形成交流电，然后输送到微电网调度中心。太阳能光伏发电供电系统流程见图6。

图6 太阳能光伏发电供电系统流程

6.7 微电网调度中心

微电网调度中心既可以与大电网并网运行，也可以孤网运行，其电能主要来源有市政电网、燃气冷热电三联供系统和太阳能光伏发电系统。电能统一汇入微电网调度中心，再由微电网调度中心统一调配供给区域内的燃气锅炉供热系统、燃气冷热电三联供系统、太阳能生活热水系统、地埋管地源热泵系统、污水源热泵系统和区域其他电用户使用。微电网调度中心是区域内唯一与市政电网的接驳点。微电网调度中心功能结构见图7。

图7 微电网调度中心功能结构

7 可再生能源利用率和综合能源利用效率

本文定义区域供应量指用户处实际得到的能量，计算用户得到的总能量时不考虑冷热量和电能的品位差别。区域消耗量指区域供应量考虑效率后的折算一次能源消耗量。

区域供应量主要包括年供热量、年供冷量、生活热水系统年供热量、天然气年耗气量、年供电量。由上文可知,年供热量为3 758 885 GJ(见表3)，年供冷量为4 817 289 GJ(见表5)，生活热水系统年供热量为923 832 GJ(见表7)，天然气年耗气量为4 425 939 GJ(见5.4节)，年供电量为8 046 691 GJ(见表8)，不考虑冷热量和电能的品位差别，区域供应量合计为21 972 636 GJ。

区域消耗量主要包括一次能源天然气年消耗量和市政电网一次能源燃煤年消耗量。一次能源天然气消耗量包括燃气锅炉供热系统一次能源天然气消耗量、辅助热源燃气锅炉一次能源天然气消耗量、各类建筑一次能源天然气消耗量和燃气冷热电三联供系统一次能源天然气消耗量。由上文可知,燃气锅炉供热系统一次能源天然气年消耗量为1 615 236 GJ(见5.1节)，辅助热源燃气锅炉一次能源天然气年消耗量为336 001 GJ(见5.3节)，各类建筑一次能源天然气年消耗量为4 425 939 GJ(见5.4节)，燃气冷热电三联供系统一次能源天然气年消耗量为12 814 146 GJ(见5.5节)，一次能源天然气年消耗量合计为19 191 322 GJ。市政电网一次能源燃煤年消耗量为9 330 055 GJ(见5.5节)。区域消耗量合计为28 521 577 GJ。

区域可再生能源利用量为热泵系统可再生能源利用量、太阳能生活热水系统供热量和电能可再生能源供电量。由上文可知，热泵系统可再生能源利用量为692 334 GJ(见表4)，太阳能生活热水系统供热量为621 432 GJ(见表7)，在市政电网供电量中可再生能源供电量的比例为12.3%的条件下，电能可再生能源供电量为804 669 GJ(见5.5节)。区域可再生能源利用量合计2 118 435 GJ。

可再生能源利用率等于区域可再生能源利用量与区域消耗量之比，计算结果为7.43%。综合能源利用效率等于区域供应量与区域消耗量之比，计算结果为77.04%。

8 结语

依据科技商务中心外部能源供应条件、用能特点分析和区域热负荷、冷负荷、生活热水负荷、天然气负荷和用电负荷，制定了区域综合能源系统规划方案和实施关键技术。经测算，科技商务中心可再生能源利用率达7.43%，综合能源利用效率达77.04%，较好地解决了能源供应问题。