储能式地热能综合能源系统效益分析

2019年第3期（总第47卷第337期)建筑节能■暖通空调

d o i： 10.3969/j.issn. 1673-7237.2019.03.013

储能式地热能综合能源系统效益分析

王含，郑新，张金龙

(国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京102209)

摘要：地热作为清洁低碳、安全高效的绿色能源，具有极好的应用前景。以雄安新区12万平方米的

组团式建筑群为假设场景，提出了多能互补式、储能式两种地热能利用系统方案。通过编写

数学计算模型、优化算法等处理方法分析了初投资、运行成本、能源节约、费用年值等评价指

标的能源系统综合效益，最终确定合理的储能式能源系统方案，与多能互补式方案相比，储能

式方案初投资减少14.6%、运行成本降低7. 1%、费用年值降低9.9%。

关键词：地热能；储能；多能互补；效益分析

中图分类号：T U832 文献标志码：A文章编号：1673-7237(2019)03-0060-05

Benefit Analysis of Integrated Energy Systems Using

Geothermal Energy-stored in Buildings

WANG Han，ZHENG Xin，ZHANG Jin-long

(State Power Investment Corporation Central Research Institute，Beijing 102209，China)

Abstract：As a clean and low carbon，safe and efficient green energy，geothermal has excellent application prospect.Two integrated energy systems using geothermal energy are developed for the

theoretical office buildings and residential construction in Xioogaa New Area to reduce the energy

consumption and improve t he energy utilization.Cost-benefit are analyzed for each type〇o energy system.

Economic indicators are used to evaluate the systems economics in terms 〇othe initial investment，operating

cost，energp conservation rate and annual total cost.The results indicate that the integrated energp systems

using geothermal e nergp with storage have better energp conservation and economics.The initial

investment 〇oenergp storage system is reduced bp 14.6°%，the operating cost is lowered bp 7. l°%and annual

total cost is reduced bp 9. 9%.

K e y w o r d s：geothermal energy；energy storage；multi-energy；benefit analysis

〇引言

随着环境污染的日益严重，能源资源约束日益加 剧、能源结构调整和产业升级转型的不断加强，清洁 能源成为了我国能源行业升级的重要引擎。地热能 作为清洁低碳、安全高效的绿色能源，具有极好的应 用前景。在清洁能源替代燃煤中发挥了重要的作用。

2017年1月，国家发布了首个《地热能开发利用 “十三五”规划》。规划中指出：到2020年，全国累计 地热供暖面积将达到16亿平方米[1]。同年12月，国家又发布了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017— 2021)》，对北方地热供暖等总体方案做出了具体安 排。规划提出，2019年，“2 +26”重点城市城区清洁

收稿日期：018-05-31;修回日期：019-01-27取暖率要达到90%以上，县城及城乡结合部（含中心 镇）达到70%以上，农村地区达到40%以上[]。地热 能“十三五”规划的发布，明确了地热能利用的发展目 标和市场规模;北方地区冬季清洁取暖的相关政策，指明了地热能利用的主要推进方向。几方面政策联 合支撑起了地热能产业广阔的发展空间，搭设出了地 热能产业快速扩张的高速通道。

建筑物供暖是地热能主要应用方式。截至2016年，我国利用水热型地热供暖面积为8 875万m2，利用浅 层地热能供暖制冷面积4.3亿m2[3]。地热供暖的主 要方式是地热能板式换热器间接供热、地热+热泵机 组、地热+热泵机组+调峰锅炉三种方式[4]。当前，最符合地热能持续开发利用的方式为第三种方式，该

种方式能够降低回灌水温度，增大地热资源利用率。在目标建筑物面积不变的前提下，相比前两种方式能 够有效避免地热井数限制，减少地热水的开采。但是 该方案也具有不足，主要是初投资和运行成本较大[5]。针对地热能供暖的商业建筑物一般都是配置 冷水机组系统进行夏季制冷，此种方式增加了夏季制 冷系统的初投资，供暖制冷系统复杂、占地面积较大。以上两点为地热能综合能源系统提出了技术方案优 化方向。

此外，本文的假设场景位于雄安新区。雄安新区 地处地热能开发重点区域。《河北雄安新区规划纲 要》规划了“城市-组团-社区”三级公共服务设施体 系，构建社区、邻里、街坊三级生活圈。指出要营造优 质绿色的生态环境，对于建筑能源系统具有较高要求[6]。

本文以雄安新区12万平方米的组团式建筑群为 假设场景，提出了多能互补式地热能利用系统、储能 式地热能综合供暖制冷能源系统方案。通过编写数 学计算模型、优化算法等处理方法，针对初投资、运行 费用、能源节约、费用年值等评价指标，分析该建筑物 的综合效益，最终确定合理的能源系统优化方案，为 组团式建筑能源综合利用的推广应用提供了理论支 持与技术保障。

1建筑物概况及负荷计算

雄安新区组团式建筑物总面积为12万平方米，其中商业建筑面积为3.5万平方米，住宅建筑面积为 8.5万平方米。商业建筑的冬季供暖、夏季制冷时间 为每天8:00 -18:00,供暖、制冷天数均为120 d。

根据CJJ34—2010《城镇供热管网设计规范》、JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标 准》、G B50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节 设计规范》的有关规定，住宅建筑采暖热负荷指标为 40~45 W/m2,商业办公采暖热负荷指标为50~ 70 W/m2，商业办公空调冷指标为80 ~ 110 W/m2[7_9]。根据雄安地区采暖室外计算温度-7. 0 °C、采暖期平均温度为0.4 °C、夏季空气调节室 外计算干球温度34.8 °C、夏季空气调节计算日室外 平均温度29.8 °C等相关气象参数，建筑窗墙比为0.6,中空双玻璃，外墙为370 m m水泥砂浆，夏季房间 温度26 °C，冬季房间温度20 °C。运用D e S T软件进 行分析计算，通过规范规定值与计算结果比对，最终 选取两类建筑物的热负荷、冷负荷指标见下表所示[8-9]。

2技术方案分析

2. 1多能互补式地热能利用系统

雄安新区地热资源丰富，属牛驼镇地热田，具有地热分布区域大、埋深较浅等特点。根据雄安新区相 关地质资料，本文以地热水出口温度60 °C、流量 80 m3/h为基础进行地热能供暖方案分析[10]。传统 地热供暖方案分为两级，第一级是直接换热利用，地 热水经过一级板式换热器换热后供暖;第二级是通过 水源热泵进行提温供暖，一次侧地热水间接作为水源 热泵的低温热源。目前地热资源应用以直接利用、热 泵调峰为主。本方案拟为组团式建筑物设计一套以 多能互补式地热能利用系统，即传统地热能供暖+燃 气调峰+冷水机组系统制冷的综合能源方案。

表1建筑冷热负荷

Table 1Heating and cooling load

建筑类型

热负荷指标/冷负荷指标/

(W/m2) (W/m2)

总热负荷/

kW

总冷负荷/

kW 住宅建筑40- 3 400-

商业建筑6090 2 100 3 150总计 5 500 3 150

针对本组团式建筑物，根据地热资源计算单井供 热能力，单井供热功率和单井最大供热面积为：

)l⑴

A=1X)〇e.n⑵

q

式中:2为单井供热功率，k W;

C为水的比热容，4.2 x103J/(kg•°C);

«为地热水流量，m3/h;

b为地热水出口温度，C;

f2为地热水通过一级板式换热器降温后的温度，C;

b为地热水回灌温度，C;

c o p为水源热泵机组性能参数；

A为单井最大供热面积，m2;

q为热负荷指标，W/m2;

n为综合热效率。

通过计算可得，单井供热功率为4 783 k W，商业 建筑单井最大供热面积为73 344 m2,住宅建筑单井 最大供热面积为10017 m2。地热供暖方案采用2台额定制热功率为1 542 k W的水源热泵机组。该地热 井的最大供热功率不能满足极端天气下本项目的供 热需求，通过计算分析，拟采用1t燃气锅炉进行极端 天气调峰，确定为地热能+燃气锅炉调峰的供暖方 案。根据总冷负荷，拟选3台额定制冷量为1 159 k W 的冷水机组作为商业建筑的夏季制冷方案。最终形 成的传统地热+燃气调峰+冷水机组能源方案如图1所示。