智慧能源多能互补清洁供热技术的应用

李 强

（中煤水文局集团（天津）工程技术研究院有限公司，天津 300000）

0 引言

多能互补清洁供热技术以智能微网、天然气三联供和分布再生能源为依托，通过能源阶梯利用与多能协同供应方式，打造智慧能源模式，为城市发展助力。事实证明，该技术可以使常规模式难以避免的资源被大量浪费等问题得到有效解决，应当引起重视。

1 多能互补可行性

随着社会的发展，可以用来对能源进行监控、管理与控制的技术趋于完善，如果从应用形式的角度进行分析，多能互补的效果得以实现所依托的基础通常是综合能源系统，该系统的作用主要是通过自动协调能源增进程度的方式，确保运行效果可以得到显著提高[1]。这里要明确1点，综合能源系统涉及的内容较多，既包括常规的水电热，还包括其他新型能源供给。在对多能互补系统进行构建时，相关人员应该对产生能量到存储能量的全过程加以重视，以对各个环节进行优化为前提，以增强系统的可靠性与稳定性为目的，通过对现有的能源系统进行集成应用的方式，确保能源利用率可以得到显著提升，其生产成本也会随之减少。

2 多能互补应用研究

传统的片区能源模式得运行原理是以片区为载体，对各类能源进行输入或者输出，随着运行时间的延长，该模式的不足也得到了直观展示，即无法做到能源科学互补以及有效集约。由于该模式需要大量的设备作为依托，因此，能源及土地资源被浪费的情况难以避免。除此之外，受道路等因素的影响，对输送管网进行建设的效率难以提高，这并不利于城市的发展。

该文所研究的智慧能源模式的创新之处在于其以多能互补、因地制宜和统筹开发为指导原则，通过充分利用新能源及传统能源的方式，对现有的功能设施进行全面优化，通过应用智能微网、天然气三联供和分布再生能源，在实现能源阶梯利用的基础上，使多能协调供应设想成为现实。其特点如下：在土地布局紧凑的前提下，借助现有的市政设施，通过处理并运用所集成能源的方式，满足燃气调压站、供电所等设施日常运行的需求。

现阶段，分布能源站和垃圾处理站在许多地区得到了大力推广，下文将分别对二者进行介绍。分布能源站驱动能源主要为清洁能源，例如太阳能或天然气，低温能源中常见的是污水源、空气源和深浅层地源，可以通过多能互补的方式，加快能源利用模式向阶梯利用过渡的速度，确保用户所获取的能源较之前更加稳定、安全且高效。这里要明确一点，就是上文所提到能源，除了有众所周知的电能外，还包括冷能和热能。垃圾处理站的职责是对城市生活垃圾进行分拣、处理和二次利用，基于高环保和高标准的要求，对焚烧垃圾所产生的蒸汽加以处理，并用处理后蒸汽发电、制冷或供热[2]。事实证明，引入相关技术可以使垃圾外运量得到大幅减少，这与当今社会所倡导的节能环保的理念高度契合。此外，在实际应用时，该项目的优势还体现由污水处理站对废水进行处理，利用处理所得中水开展绿化等方面。

3 技术应用实例分析

3.1 替代燃煤锅炉

3.1.1 改造方案

某大学以环保治理要求为依托，出蒸汽锅炉替代传统燃煤锅炉，对40万m2的校区进行供热的方案，该校购入蒸汽锅炉的数量及规格见表1。

表1 蒸汽锅炉配置情况

有关人员从该校的建设程序和大气治理要求出发，先后多次前往现场进行实地勘察，根据勘察结果反复调整改造方案，保证给出方案与学校的改造需求相符，即基于燃气锅炉和空气能源热泵，通过集成优化及多能互补的方式，高效完成改造燃煤锅炉房的相关工作。

3.1.2 改造内容

结合该校供热负荷区和锅炉房规模可知，要想充分利用该场地，关键是以汽水热力站为基础，对能源站进行新建，并保证新建能源站均有长期运行所需系统相对应，例如自控系统/用电系统/热力系统/空气源热泵[3]。考虑多方因素，最终该校选择对3座能源站进行了建设，各能源站规模及参数配置情况见表2。

表2 新建能源站规模及参数配置

3.1.3 改造效果

经过改造的设备正式投入运行后，由技术人员对其运行效果进行了为期1年的跟踪记录，整理后的结果见表3。

表3 改造后设备运行效果

由表3数据可知，该项目平均每年可节约标煤重量约8 000 t，二氧化碳排放量能够减少近16 000 t，二氧化硫排放量比之前减少了2.5 t左右。另外，烟尘排放量的变化也十分明显，改造后烟尘排放量与改造前排放量的差值约为4.5 t。

3.2 污水源热泵供热

3.2.1 改造计划

某水质净化厂为当地污水源热泵应用示范点，有关人员计划对原有系统进行全面改造，制定的改造计划如下：首先，购入污水源热泵机组，取代了原有热源，为净水设备运行提供支持；其次，对燃气发电机组和配套余热回收装置进行安装，前者功率为1 000 kW，后者为1 300 kW；再次，由于该场所在地区有极寒天气存在，因此，需要引进可起到调峰热源作用的燃气锅炉；最后，将光伏发电系统加装在屋面上即可。

3.2.2 改造内容

3.2.2.1 燃气锅炉

能源站新购入了1台燃气锅炉，其规格为3.5 MW，其作用是保证即使有极寒天气来临，仍有调峰源热可以保证供热效果。燃气锅炉参数见表4。

表4 燃气锅炉参数

基于燃气锅炉开展的供暖工作，其特点主要体现在以下4个方面：1） 便于操作。有关人员可以通过按键、显示屏对锅炉状况进行实时了解，使下一步操作更加明确。2） 安全可靠。处于运行状态的真空热水锅炉，由于内部为负压状态，因此，即使存在操作失误出现的超压情况，仍旧能够保证开关电源在第一时间被切断。3） 节能高效。真空运行锅炉的沸点较低，其热效率较原有设备更高，且具有良好的换热性，另外，真空密封炉体的辐射散热较小[4]。4） 成本低、经济性佳。由于锅炉无补水需求，因此，不需要对补水和处理水的系统进行设置，将进出水口和用户进行直接连接即可，可以大幅减少购买设备的成本随之减少。

3.2.2.2 燃气内燃机

能源站现有燃气发电机组规格为1 000 kW，对烟气余热进行回收的装置，规格为1 300 kW，发电机组发出的电能都可以通过电缆并入供电系统，为相关设备提供运行所需要的电能。用电峰段，设备运行所依托的电能来源为燃气内燃机，而用电谷段，向设备供电的主体转为市电，这样设计的目的是充分利用峰谷电价存在的差异，降低运行成本。

该系统运行强调以热定电，先保证发电量可以为能源站现有水泵及热泵机组的日常运行提供支持，再将多余电量并入当地电网。而处于运行状态的内燃发电机形成的烟气，通常由回收装置负责预热及二次利用。

该发电机组的发电量为1 000 kW，燃气耗量约为270 m3/h，向外界所提供热量参数为1 300 kW，其他参数见表5。假设当地采暖季共有120 d，分为初寒期、严寒期和末寒期，并且前2个阶段都可以通过量调节以及质调节达到调节供热负荷的目的，那么机组出力仅为预设额度的80%。

表5 燃气内燃机参数

该设备的技术优势包括3点：1） 以天然气为主要燃料，借助天然气三联供方式，对能源进行阶梯利用，可以确保天然气利用效率得到大幅提高。2） 有良好的安全性和环保性，可以通过削峰填谷的方式，为相关单位带来更为可观的经济效益。3） 节能减排效果突出，在保证天然气得到充分利用的前提下，应用双重削峰填谷的方式，保障能源供应环节的安全。

3.2.2.3 空气源热泵

该项目计划配备了2台空气源热泵机组，作为厂房冷源/热源，机组规格为70 kW，其他参数见表6。由于该机组的热媒为制冷剂，因此在温度较低的冬季，只需消耗较少电能就能够将空气热能转化成高温位热能，用来对末端系统运行所需要的循环水进行加热[5]。研究表明，该机组只需要1单位电能，就可以对2单位热量进行吸收，而末端所获得热量往往能够达到3单位。

表6 空气源热泵参数

由项目运行情况可知，空气源热泵有许多优势，下面对其优势进行详细说明，供相关人员参考：1） 运行范围宽且出水温度较高，通常能够达到65 ℃左右，并且具备在-25 ℃低温环境下持续运行的条件。2） 运行成本较低且有良好的节能性，仅需要耗费原有能源的30%，就能够取得与原有能耗相同的效果。3） 无污染，燃烧不会产生外排物，社会效益良好。4） 环境因素所带来的影响可以忽略不计，具有极为稳定的性能，可以做到全天候运行。5） 可以和水进行热量交换，不存在漏气或者漏电等安全隐患。6） 机组结构十分紧凑，重量轻且体积较小。7） 由计算机远程控制机组启停，且机组可根据运行负荷自行决定是否需要更改压缩机运行状态，在节约资源的基础上，优化经济性能。

3.2.2.4 污水源热泵

城市污水主要为生活污水、工业废水，污水热源泵的特点是将城市污水转化成建筑冷热源，要想使主机长期处于高效运行状态，关键是有适宜的温度和稳定的水量。该项目计划对3台水源热泵机组进行综合应用，并通过加设管壳换热器的方式，保证热源稳定。

该机组的运行原理如下：在温度较高的夏季，将建筑物热量向水源进行转移，温度较低的水源可大量带走建筑物热量；在温度偏低的冬季，先由水源负责对热量进行提取，再借助热泵机组对热量做提温处理，并向建筑物内部运输[6]。正常情况下，水源热泵每消耗约1 kW能量，就可以向用户提供4 kW冷量/热量。

该项目所引入系统，主要包括补水定压、热水循环、污水循环和中介水循环，该文将各系统原理进行介绍：1） 补水定压。热网补水所用水源为软化水，由补水箱提供补水，经由补水装置向回水总管输送。2） 热水循环。在末端系统水温达到45 ℃后，通过末端泵将其输送至冷凝器内部，由冷凝器对其做提热处理，待水温达到60 ℃，就可以进入建筑内部并对热量进行释放，达到末端循环的目的。3） 污水循环。对污水进行三级水处理所得中水和中介水做热量交换处理。4） 中介水循环。先由中介水泵对中介水温进行提升，再将其运输至蒸发器内部，待热量传递到热泵机组内部且温度大幅下降后，才可以向中介水管网回流，这一过程又被称为“中介水循环”。

3.2.2.5 光伏发电与互补发电

3.2.2.5.1 光伏发电

厂房内部建立了光伏电站，该电站发电量可以满足能源站办公及日常运行。目前，得到大范围推广与应用的太阳能发电技术，主要包括光热电转换和光电直接转换，该项目所采用的技术为光热电转换，该技术强调基于太阳能组件，经由串并联方式，获得发电所需要的光伏阵列，借助直流配电设备对太阳能做汇流处理，获得仅需要进行逆变就可以为日常生活及办公所用的直流电，而直流电转化成交流电所依托设备，主要为逆变器。

在外墙或是屋顶上对光伏阵列进行安装，既不需要占用有限的土地资源，同时还能够将屋顶打造成清洁的小型发电站，在节约电力支出的基础上，使屋面隔热性得到改善，即将光伏产品与能源站屋顶结合，使屋顶更节能。

3.2.2.5.2 互补发电

互补发电系统的核心设备为风力发电机，该发电机的组件较多，主要有灯杆、互补控制器、单晶硅太阳能、免维护蓄电池和LED光源与灯具。风力发电机基于磁悬浮技术，可基于磁悬浮技术+永磁发电机，使无噪声、低风速启动的设想成为现实，只要有风力作用，该电机就能长期处于转动状态，通过对磁力线进行切割的方式，向厂房内部提供需要的交流电。

事实证明，与原有照明系统相比，风光互补发电的优势，主要体现在以下2个方面：1）既不需要开挖电缆沟并对管线进行敷设，也不需要对专用的输变线路及其配套设施进行建设，远距离敷设使电能出现不必要损耗的问题，因此而得到了有效解决。2）可以对风能和太阳能在地域、时间等方面所存在互补特性加以利用，只要储能装置足够，该系统便可经由智能控制器实现稳定运行。3）该系统所采用直流电仅有24V，从根本上避免了意外触碰导致安全事故发生的情况。另外，水电气管道间存在冲突、供电持续性难以得到保障等市电照明系统常见问题也迎刃而解。

3.2.3 改造效果

事实证明，经过该次改造，该项目平均每年可节约标煤重量为2 750 t，二氧化碳排放量较之前减少了5 400 t左右，二氧化硫排放量也减少了约11 t。虽然相较于上1个项目，该项目烟尘排放量的变化并不明显，但是改造前后的差值仍然能够达到0.6 t，具有借鉴及推广意义。

4 结语

通过该文的分析可以看出，当前，清洁能源得到了持续开发，多能互补的清洁供热技术逐渐引起了人们的关注，该技术的优势除了可以使能源得到阶梯化应用外，还能够为智慧能源模式构建助力。未来该技术仍将是研究重点，围绕其具体应用进行探讨是很有必要的。