移动学院三期工程建筑热源方案研究

白睿祖

中国移动通信有限公司信息港中心

1 研究背景

1.1 建筑热源简述

为改善国民经济发展造成的资源消耗和环境恶化，通过建筑节能降低能源消耗已成为建筑行业的共识。建筑热源是建筑物消耗能源的重要组成部分，在我国北方地区建筑热源能耗约占建筑物总能耗的一半以上，建筑热源的利用形式直接决定了建筑的能耗特点及对环境的影响情况，择优选择节能、绿色、环保的建筑热源将有利于实现建筑节能的总体要求。建筑热源方案选择首先应满足技术适用性，首先应符合国家对节能、环保的政策要求，还需因地制宜的兼顾项目区域能源供应条件和能源技术的适用性、可实施性，以保证项目实施、使用的便利性和运营安全。其次宜尽量采用建设、运营投资较低的利用方案。

1.2 工程概况及设计热负荷

移动学院位于北京昌平小汤山镇，所在区域地热资源丰富，为热田核心区域，已投入使用的既有建筑热源全部由地热水提供。三期工程总建筑面积约4万平方米，建筑使用性质包含综合教研楼、学员宿舍等。根据地域温湿度历史数据，结合建筑布局及使用功能，工程设计总热负荷为3682kW。

2 移动学院三期工程建筑热源技术适用性分析

建筑热源的利用形式直接决定了建筑的能耗特点及对外部环境的影响，为保障工程对建筑热源的需求，以实现节能、绿色、环保的建筑热源的选用，基于工程项目特点、区域环境特征，针对六种具有代表性的热源方案就政策要求、环境影响、技术性能及实施条件进行了技术适用性评价分析。

2.1 地源热泵

地源热泵系统利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，实现低热能转移。冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环，实现冬季供热夏季制冷的高效节能系统。适用性分析如下：政策要求：政策扶持，推广发展。北京地区作为可再生能源示范城市，采用地源热泵可申请建设部和地方财政补贴。环境影响：当地地下水位高，上层土质主要为粘性土壤，并与各层蓄水结构沿垂直方向形成交替分布状况。按照地埋管埋深100m～120m 的要求，易造成地下50m 的浅层水以下蓄水层及水源污染风险。技术性能及实施条件：当地地处地下热田中央，地下100m 处土壤温度常年为30℃以上，导致夏季制冷条件恶劣，且地埋管使用寿命缩短，无法满足20年经济使用期。经分析，地源热泵虽属经济高效的可再生能源，并获得国家和地方政策支持，但因项目所在区域地下温度高，系统运行寿命严重降低，土壤结构易造成地下水源环境污染，可实施性及技术适宜性较差，不适用于本工程。

2.2 电锅炉

电锅炉也称电加热锅炉，是由电力能源转化成为热能，经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电力部门鼓励蓄热式电锅炉在夜间低谷时段用电力加热，并享受优惠电价。适用性分析如下：政策要求：限制作为主供热源连续运行，允许夜间蓄热作为辅助热源。北京地区由于电力资源供应紧张，基于节能减排考虑，行政主管部门允许在夜间用电低谷时段享受优惠电价使用电蓄热锅炉作为建筑辅助热源。环境影响：输入能源为电能，对使用地点环境无污染。技术性能及实施条件：电锅炉作为主供热源电力缺口大，辅助供热用电容量有保障。按照配置常压蓄热电热水锅炉2台，每台额定热功率为840kW 测算，平均小时可提供热量为700kW～1400kW。经分析，受北京市用电政策及供电容量限制，电锅炉供热不能作为工程的主用建筑热源，可作为辅助热源满足部分需求。

2.3 太阳能

太阳能供热系统是利用太阳能集热器收集太阳能以满足建筑热能需求的系统，包括太阳能集热器、贮水箱、连接管道、控制系统和辅助能源。适用性分析如下：政策要求：鼓励新建项目采用太阳能供热系统，北京市已将建设项目应用太阳能热水系统纳入地方标准。环境影响：利用了可再生的自然资源，具有建筑节能减排示范意义。技术性能及实施条件：结合工程建筑及屋面设计布局，屋顶可安装集热器面积约600m2，总制热量为756kW。经分析，由于可利用场地小，太阳能供热不能作为工程的主用建筑热源，可作为辅助热源满足部分需求。

2.4 污水源

污水源系统可同时提供建筑冷热源，其主要工作原理是借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量电能，在冬季把存于污水中的低位热能“提取”出来，为用户供热，夏季则把室内的热量“提取”出来，释放到污水中，从而降低室温，达到制冷的效果。适用性分析如下：国家政策：采用污水源技术能够提高能源高效率的使用并减少资源浪费，实现资源循环利用，变废为宝，符合国家发展循环经济、节能减排方针政策。环境影响：没有废物排放，真正实现零污染，环境效益显著，对建设节能建筑具有较大的示范意义。技术性能及实施条件：测算最大日生活污水排放量为600m3/d，日生活污水排放量为420m3/d，平均每小时污水量为17.5m3/h，冬季总制热量仅为180kW。经分析，污水源虽然符合发展循环经济政策要求，节能减排示范意义较为显著，但总制热量较小，不适用于本工程。

2.5 天然气

天然气直燃机通过天然气直接在溴化锂吸收式机组的高压发生器中燃烧产生高温火焰作为热源，利用吸收式制冷循环的原理，制取冷热水，供夏季制冷和冬季采暖使用。适用性分析如下：政策要求：天然气直燃机用气价格优惠。环境影响：减少电能消耗，对城市能源季节性的平衡起到一定的积极作用，对大气污染相对较小。技术性能及实施条件：冬季建筑热源可由天然气直燃机直接供热，夏季建筑冷源可由直燃机通过能源交换供冷方式提供。建筑热源稳定性较好。经分析，由于天然气提供的建筑热源稳定性较好，且供暖量可全部满足建筑热量需求，天然气直燃机供热方案可作为工程的主用热源。

2.6 地热水

地热水供热是指利用地热开采井提供的地下热水资源，通过储水箱及加压泵增压、过滤后，作为建筑热源满足建筑热量使用需求。适用性分析如下：政策要求：小汤山地热田中心地区为严格控采区，区内原则上不再增大开采量。环境影响：地热开采井出水作为建筑热源使用后，通过回灌井100%反馈至地热回水层，有利于保护区域的地热水资源长期利用，对环境无污染。技术性能及实施条件：新建地热开采井政策不支持，现有富裕地热水满足部分建筑热量需求，学院现有地热井最大开采量约72t/h，出水温度约62°，使用情况较为稳定，经测算在极寒天气情况下可富裕地热水35t吨/h，可提供总制热量约2400kW。

经分析，地热水供热热源稳定，对环境无污染，虽然政策不支持新建地热开采井，但现有剩余地热水可满足大部分建筑热量需求，利用现有剩余地热水可作为工程的建筑主用热源，热量不足部分可由辅助热源补充形成多热源联合供热系统。

2.7 技术适用性方案选择

经技术适用性评价，得出结论为：地源热泵供热方案、污水源方案不适宜在本工程应用；电锅炉供热方案、太阳能供热方案可作为辅助热源应用；天然气直燃机供热方案可作为单一主用热源应用并满足全部用热需求；地热水供热方案可利用剩余地热作为主用热源，热量不足部分约1282kW可由电锅炉供热方案提供的热量补充，组成多热源联合供热系统满足全部用热需求。

3 移动学院三期工程建筑热源方案经济指标优选

经分析，天然气直燃机单一热源供热，利用剩余地热+电蓄热锅炉辅助的多热源联合供热系统两个供热方案可满足需求且技术可行。就两个热源方案的经济指标进行对比，选取建设、运营投资较低的方案作为建筑热源最优方案。

3.1 热源方案经济指标对比

经测算，天然气直燃机单一热源供热方案建设工程费用约1400 万元，年运营费用约89 万元，以20 年为周期的全寿命周期成本为3180万元。利用剩余地热+电蓄热锅炉辅助的多热源联合供热系统方案建设工程费用约930 万元，年运营费用约81 万元，以20年为周期的全寿命周期成本为2550万。

3.2 热源方案优选

经全寿命周期成本经济指标对比，确定全寿命周期建设、运营成本较低的利用剩余地热+电蓄热锅炉辅助的多热源联合供热系统方案作为工程建筑热源最优方案。

4 结束语

通过政策要求、环境影响、技术性能及实施条件开展技术适用性初评，通过全寿命周期成本开展经济合理性评价优选的评价体系，不仅有效解决了本工程建筑热源方案的选择，也可有效应用于类似项目，具有推广借鉴意义。利用剩余地热作为工程的建筑主用热源，充分利用了可持续再生的天然地下热源，最大限度减少矿物性资源消耗，节省运行费用，贯彻和践行了绿色环保理念。建议择机对既有建筑系统进行节能改造挖潜，例如：更换使用寿命到期的板式换热器、更换卫生热水水箱的保温、改善管道的保温、将卫生热水系统改造成同程系统等。降低建筑热源总需求量，提高地热水使用和转换效率，提高空调、采暖系统热利用率。