邯郸市主城区清洁可再生能源分布式供能解决方案研究

文_刘伟 赵艳霞 金凯欣

1 华清安泰（北京）科技股份有限公司 2 河北世元工程项目管理有限公司

1 邯郸主城区供热现状

近年邯郸地区房地产发展增速较快，根据《邯郸市中心城区2016～2020年供热规划修编》， 2020年规划供暖面积9594万m2。2018年度供热面积约4870万m2， 2018～2019年度在建待接入用户约2000万m2，2020年度待接入用户约2600万m2，2019～2020年每年供热缺口在2000多万m2。

早些年邯郸地区以集中供热为主，在现有4870万m2供热面积中，邯郸热力公司约3870万m2，其他热力公司和单位自建分布式约1000万m2。近年来，随着供热压力和环保要求的增加，邯郸热力公司也在积极寻找替代能源，已实现新能源替代650万m2。包括2014～2015年实施的供热面积300万m2的邯钢冲渣水余热利用项目，2014～2016年实施的供热能力30万m2、供冷能力15万m2的西污水处理厂污水热泵利用项目，2017年启动实施的热能力100万m2东污水处理厂污水热泵利用项目。

目前市政热网已经存在供热能力不足情况，部分城区供暖温度难以达到18℃。基于邯郸市区当前供热能力和需求分析下，因地制宜发展分布式供能迫在眉睫。

2 清洁能源资源分析

根据目前清洁能源技术发展水平，能够用于邯郸地区供热的清洁能源主要包括燃气、空气能、太阳能、地热能、生物质能，具体需要结合项目需求和资源条件对多种能源方式从技术和经济角度分别加以分析，选择最佳的清洁能源供暖方式。

2.1 太阳能

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，目前发展迅速，光电、光热技术成熟并已广泛应用。光伏主要用于发电，需要大量的场地或屋顶。近两年，有些地区利用“光伏发电+蓄热电暖气”技术解决农村居民采暖，但在城市中还不能大量推广。光热主要用在热水方面，用于家庭洗浴较多。为了解决不良天气情况，通常需要配备电辅助加热。由于冬季供暖用热需求量大，光热技术难以满足城区住宅供暖需求。

2.2 生物质能

生物质能主要包括植物秸秆、人畜粪便、餐厨垃圾所包含的化学能，它直接或间接地来源于植物的光合作用，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。植物秸秆利用方面，经过厌氧发酵，产生沼气发电，废热用于供暖，减少污染排放的同时提高了经济效益。

由于垃圾填埋场距离城区较远、植物秸秆不便于远距离运输、各种饲养场也主要在乡村等地域特点，导致生物质能不能在主城区有效利用。

2.3 燃气

燃气作为清洁能源，用于供热是非常成熟和稳定的。很多小区已将燃煤锅炉改为燃气锅炉，新建住宅小区部分采用燃气锅炉集中供暖、部分采用分户燃气壁挂炉。燃气供暖主要存在供气量不稳定和用热成本高两方面问题。经测算，在当地气价情况下，燃气采暖费用约在30～35元/m2，作为清洁能源的主力——燃气采暖在邯郸地区基本无法推行。燃气热泵技术产品一定程度提高了能效，但是产品规格小，不适用城市大体量项目。

2.4 电储能

电储能技术可以在电网负荷低时储能、电网高负荷时输出能量，用于削峰填谷、减轻电网波动，同时降低用户用能费用。国家能源局单独发文明确“对于居民采暖的电蓄热锅炉、热泵采暖，执行合表电价的享受居民峰谷电价，且电力增容费用由国网承担。”不考虑电力增容的问题，单独从投资和运行费用角度进行分析，对邯郸某20万m2的居民小区和供热300万m2的热源厂，用电锅炉水蓄能技术进行了测算。测算投资约80～100元/m2，综合运营费用25～30元/m2，高于当地采暖收费标准，因此电蓄热在邯郸地区无法推广应用。

2.5 空气能

空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，目前的产品包括小型家用空气源热泵、中型模块化商用空气源热泵机组和大型空气源热泵机组，以及能源塔热泵机组等。

2.5.1 常规空气能热泵

近年在“煤改电”政策下发展尤为迅猛，农村燃煤替代中很多采用家用空气源热泵。河北、山东也有一些城市住宅小区热力不足项目采用模块化空气源热泵机组，其中大规模的项目采用上百台。

采用热泵技术，空气源热泵的综合能效比在2.0～2.5之间，同样电价下运行费用相对直接电采暖节约60%以上。经测算，在邯郸地区居民峰谷电价下，电耗费在12～15元/m2之间，投资费用在70～80元/m2。

我国寒冷地区冬季气温较低，而气候干燥。采暖室外计算温度基本在-5℃～-15℃，最冷月平均室外相对湿度基本在45%～65%之间。在这些地区选用空气源热泵，其结霜现象不太严重。但低温下效率问题、噪音问题、供热稳定性、寿命问题、场地问题均是制约其在城市中大规模应用的因素。

2.5.2 能源塔热泵技术

能源塔热泵技术是通过能源塔与空气的热交换和热泵机组作用，实现供暖、制冷以及提供热水的技术。冬天它利用低于冰点的载体介质，高效提取冰点以下的湿球水热能。通过能源塔热泵机组输入少量高品位电能源，实现冰点以下低温热能向高温位转移，实现制热；夏天由于能源塔的特殊设计，起到高效冷却塔的作用，将热量排到大气实现制冷。能源塔适用于夏热冬冷地区，在湿球温度-20℃以上的地区可安全可靠运行，整个冬季机组的性能系数COP可在3.0～3.5范围。在冬季湿度较大的地区，容易吸收空气中的水分而稀释盐溶液，根据不同湿度情况控制盐溶液浓度是关键。

经测算，在居民电价下，10万m2以上小区，采用能源塔投资在70～80元/m2，和空气源热泵基本相同。运营能耗费用在10～12元/m2之间，考虑综合维修等费用不超过15元/m2。采用能源塔热泵，相对于邯郸地区采暖收费标准，经济上是可行的。

2.6 地热能

供暖上应用较多的地热能种类有浅层地温能、干热岩和深层地热能。浅层地温能赋存于地表以下200m，浅范围内岩土体和水中，深层地热资源赋存于200m以下大于25℃的地下水或岩体中。地热资源具有很强的地域性，它的含量和可开采量与地质条件、气温条件有很大关系。调研邯郸主城区情况如下。

2.6.1 深层地热能

邯郸地区地热资源主要润含在第三系中，第三系以砂岩、灰岩为主。东部地热资源相对好些，局部可以达到60～70℃，开采量可以达到60m3/h以上，但是回灌困难。城区地热资源相对贫瘠，出水量约在40m3/h，水温40℃左右，且回灌困难。

由于之前疏于监管，很多县城、乡镇小区私自开采地热取水井直接供暖，直接排放造成了极大的地热矿产资源浪费。现在政府开始严格管控，并采取关停措施。因此主城区深层地热取暖的经济性较低。

2.6.2 干热岩

干热岩（HDR），也称增强型地热系统（EGS），或称工程型地热系统，是一种温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。由于当地岩体温度低，干热岩技术应用经济性不高。

2.6.3 浅层地热能

浅层地热能在国际已经成熟应用几十年，国内也成功应用近20a，目前的利用形式主要为水源热泵、地源热泵、污水源热泵。

邯郸地区200m以内土壤平均温度为16～17℃，20m以下基本恒定。整体地势西高东低，城区西面第四系厚度约为70m，向东埋深加深到300m以上。第四系地层以粘土和砂层为主，比较适合做浅层地源热泵。

地源热泵可以采暖、制冷、制取生活热水，一机三用，可代替传统的燃气（燃煤）锅炉+冷水机组，公建投资在200～300元/m2，相对传统项目投资增加20%～30%，由于其综合能效比达到3.0～3.5，因此增加投资部分3～5a即可回收。住宅采暖项目，纯地源热泵投资约150元/m2，运行电费约10元/m2，经济性是可行的。地源热泵技术方面主要需解决打井场地，仅单独取热情况下长期运行可能会造成地温偏低，影响供暖效果的问题。

通过上述分析，各种清洁供暖方式见表1。

表1 主城区分布式清洁供暖资源分析

3 最优的清洁供暖技术——地源热泵+能源塔

综合上述分析，生物质能的地域性限制、燃气成本高且气源不稳定、电储能成本高，常规空气能不适宜大规模项目，深层地热和干热岩不具备条件。

可大规模用于主城区的清洁能源供暖只有能源塔和地源热泵，这两种技术各有优缺点，采用多能互补技术，创新性地将地源热泵和能源塔组合在一起使用，将空气能和地热能有机组合，因地制宜合理配置比例，实现优势互补，安全稳定运行、经济合理，详见表2。

表2 地源热泵+能源塔热泵技术经济特性分析表

4 地源热泵+能源塔应用案例分析

4.1 项目概况

梧桐雅苑项目位于邯郸市复兴区，总建筑面积39万m2，地上建筑面积29.7万m2，建筑物性质为住宅及配套商业，建筑物末端采用地板采暖系统。

4.2 负荷需求和采暖形式

设计热指标为30W/m2；低区热负荷5073kW，高区热负荷3850kW;室内采用地板辐射采暖，供回水温度为45℃/35℃。

4.3 设计方案

项目距离市政热网较远，按照地源热泵+能源塔多能互补方式进行设计。根据高、低区负荷分配和机组模数，最终选型配置比例为地源热泵47%，能源塔53%。为解决长期取热带来的地温衰减问题，设计了补热措施和地温场监控措施。当冬季运行中监测到地温低影响机组运行时，在白天日间温度高时开启能源塔和地埋井之间的换热板换补热。

项目设置了华清安泰“互联网+”智慧能源管控平台，实时监控系统运行，结合环境温度、土壤温度、室内负荷变化情况，对能源塔和地源热泵能效状况进行分析对比，实时调节运行工况，选择高效、安全的模式运行。

4.4 投资和经济性分析

项目投资2900万元，约98元/m2。综合能耗、管理费、维修费年运营费用约13.5元/m2/a。

采暖费按照首年开发商100%缴费，之后居民缴费。入住率按照首年20%、第二年40%、第三年60%、第四年之后80%。按照8%的折现率测算，静态投资回收期5.9a，内部收益率18.4%；20a净现值547万元，整体收益率较好。

4.5 项目总结

梧桐雅苑项目采用地源热泵+能源塔分布式能源方案技术和经济性均可行，小区入住率是关键。在运行中加强管理，通过技术优化，设置合理的运行策略，在保障供暖效果前提下，实现节能低碳、清洁高效运行。

5 应用推广情况

继邯郸主城区梧桐雅苑项目实施地源热泵+能源塔分布式清洁能源供暖技术后，后续多个项目采用本清洁能源技术实施分布式供暖。地源热泵+能源塔清洁供暖技术的应用，解决了城市热网不到位情况下供热难题，为居民提供了安全舒适得生活环境，在双碳目标下，为城市主城区推广可再生能源分布式供能提供了一条可行之路。