湖南望城淺層地熱能在既有能源站綠色低碳升級改造中的應用

淺層地熱能，是指地下200 m以內蘊藏在巖土、地下水、地表水、城市污水等內部具有利用價值的熱能資源,是一種綠色、低碳的可再生能源。我國具有極為豐富的淺層地熱能資源，年可開采量折合標煤可達7×108 t。利用淺層地熱能集中供能其運行成本僅為燃氣和電能等供能方式的1/3,且不產生碳氧化物、氮氧化物、硫化物等，因此利用淺層地熱能替代燃氣供暖制冷是當今實現“雙碳”目標的重要舉措之一。

1 項目概況

1.1 基本情況

本項目位于湖南省淺層地熱開發利用試點區之一的望城，主要為辦公建筑，總建筑面積18.5萬m2,供暖制冷面積13.6萬m2。現有能源站供暖制冷采用3臺直燃式溴化鋰機組，大機組2臺(單臺制冷量6 978 kW,制熱量5 385 kW),小機組1臺(單臺制冷量4 652 kW,制熱量3 582 kW)。溴化鋰機組2014年投入運行，目前設備狀態良好。根據實際數據記錄，2022年能源站全年燃氣用量約136.8萬m3,用電量約148.5萬kW·h。

1.2 供能分析

供冷季：5月15日～9月30日(6∶00～18∶00);供暖季：11月15日～次年3月31日(6∶00～18∶00),均為工作日開啟。經過優創區域能源軟件計算結果和實際運行情況，得出夏季總冷負荷13 911 kW,冬季熱負荷10 720 kW;年供熱量3 140 168.7 kW·h, 年供冷量6 513 741 kW·h。

2 冷熱源方案確定

2.1 淺層地熱能資源稟賦分析

根據項目場地附近所具有的淺層地熱資源條件，分別從土壤地熱能、地下水地熱能、污水地熱能、再生水地熱能、江水地熱能、湖水地熱能等對冷熱源方案的適應性進行分析，該項目可利用的淺層地熱能為土壤地熱能。

2.2 能源站設備主機配置

根據《湖南省住房和城鄉建設廳關于公布2020年淺層地熱能建筑規模化應用試點項目的通知》,試點項目要求淺層地熱供能占比不低于40%。該項目公園內可敷設地埋管的場地有限，約17 000 m2。從土壤冷熱平衡、淺層地熱供能占比及投資經濟性考慮，本方案按淺層地熱利用占比達到40%設置地埋管和地源熱泵。其他負荷不足部分，由燃氣直燃機和冷水機組調峰補充。負荷分析結果見圖1。

圖1中陰影部分表示累計冷量和熱量。系統熱負荷在32%(3 430 kW)及以下時段，全年累計供冷和供熱量占了全年總供冷供熱量的40.4%,因此以系統最大熱負荷的32%配置地源熱泵，就能滿足淺層地熱能利用占比達到40%的要求。另外，系統冷負荷在60%(8 346 kW)及以下時間段，全年累計供冷和供熱量占了全年總供冷供熱量的87.3%,因此以系統最大冷負荷的60%配置電制冷機組，除去地源熱泵能承擔的冷負荷外，剩余電制冷負荷由冷水機組進行補充。而對于電制冷機覆蓋不到的負荷，由于時間段較少，則使用直燃機調峰。這種方式實現了少開直燃機，也避免了冷水機組配置較大但基本上處于部分負荷運行，造成投資增加的情況。

以系統最大熱負荷的32%配置地源熱泵，新增地源熱泵2臺(單臺制熱量1 772 kW,制冷量1 582 kW),冬季以地源熱泵運行為主，供熱不足時由原有的燃氣直燃機調峰補充。夏季以最大冷負荷的60%配置電制冷機組，除去地源熱泵制冷外，另新增1臺冷水機組(制冷量4 572 kW)。夏季以地源熱泵制冷為主，供冷不足時按順序利用冷水機組、直燃機調峰補充。淺層地熱能供能占比見表3。

為了維持土壤冷熱平衡，淺層地熱全年供冷、供熱量應相等，夏季多余的熱量通過冷卻塔散到空氣中。冬季熱泵機組供熱時，土壤實際取熱量為195.8萬kW·h(除掉機組散熱),因此淺層地熱全年供冷供熱量總計為391.6萬kW·h。能源站全年供冷供熱量為965.4 萬kW·h, 淺層地熱供冷供熱占比為40.4%。

2.3 室外地埋管設置

采用垂直地埋管系統，根據熱物性測試報告得知單位延米換熱量為45.2 W。經過地源熱泵設計軟件熱平衡計算所需鉆孔數量為566個，單個鉆孔深度為100 m, 鉆孔直徑130 mm, 雙U型管，鉆孔間距5 m×5 m, 地埋管占地面積約14 150 m2。根據地源熱泵軟件模擬，地源熱泵運行20年后地下土壤溫升1.1 ℃,滿足土壤熱平衡的要求。

3 改造后綜合效益分析

1)經濟效益

原有燃氣溴化鋰機組供能系統燃氣耗量136.8萬m3/年，用電量148.5萬kW·h/年；采用土壤源地源熱泵改造后，燃氣耗量24.3萬m3/年，用電量267.1萬kW·h/年。根據2023年湖南天然氣價格、電價政策(天然氣價格為4.375元/m3、電價0.634元/(kW·h)),則改造前運行成本692.6萬元/年，改造后運行成本275.6萬元/年，能源使用成本節省量達到417.0萬元/年，節省比例達到60%。項目新增投資2 320萬元(含土建、設備、安裝等費用),增量投資回收期約5.6年。

2)環境效益分析

淺層地熱能屬于可再生能源，地源熱泵運行過程中不排放污染物和產生溫室氣體。原有燃氣溴化鋰供能方案，標煤年耗量約為2 276.8 t, CO2年排放量約4 442.6 t。采用土壤源地源熱泵改造后，標煤年耗量約為1 145.9 t, CO2年排放量約3 196.3 t。標煤耗量減少比例達到49.7%,CO2排放量減少比例達到28.1%。

3)社會效益分析

利用淺層地熱能替代傳統燃氣供暖制冷，減少了燃氣消耗，降低了碳排放，能助力我國“雙碳”目標的早日實現，也對全國實現淺層地熱能建筑規模化應用起到引領示范作用。

4 結語

以淺層地熱能替代傳統燃氣供冷供熱，既經濟節能又低碳環保，符合國家“雙碳”戰略目標要求。在長沙市新的天然氣政策下，采用土壤地熱能替代部分燃氣供暖制冷后，節省運行費用417.0萬元/年，節省比例達到60%。標煤耗量減少比例達到49.7%,CO2排放量減少比例達到28.1%。