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隨著全球氣候的不斷變遷，我國南方地區不斷出現高溫、溼熱、低溫、冰凍等極端天氣，同時也隨著國家經濟的快速發展，人民物質生活水平的極大提高，南方地區對製冷、制暖的需求越來越高，尤其是對冬季制暖的需求，但受限於南方普遍制暖的時間短、制暖能耗比製冷能耗小等因素影響，因此，南方制暖系統的投資收益，尤其是應用於工業領域或城市集中制暖系統的投資收益，成為暖通工程領域需要解決的一個重要問題。同時，國家也一直提倡建設資源節約型、環境友好型社會，綠水青山就是金山銀山的發展理念，因此，南方製冷、制暖系統還必須優先考慮節能環保技術的應用。
本文主要通過新能源中的地源熱泵技術和分佈式能源中的冷、熱、電三聯供技術應用於南方製冷、供暖系統進行探討，以及應用於南方供暖系統中的投資收益和環境保護問題，並簡單對比地源熱泵技術和三聯供技術之間的應用條件和範圍。
淺層地熱能是指地表受太陽輻射與地球梯度溫升的影響，利用現有技術能開發利用的熱能資源。地表土壤、江河湖泊、淺層地下水等受太陽輻射與地球梯度溫升的影響而常年保持在一定的溫度範圍內，具有儲能大、分佈可利用範圍廣、可再生等多種優勢，利用地源熱泵技術採集地表淺層地熱能資源應用於暖通工程的製冷、制暖，可有效地節約資源、降低系統運行維護費用和保護環境。
新能源地源熱泵技術和燃氣分佈式能源三聯供技術的工作原理簡介
地源熱泵技術利用淺層地熱能的工作原理是通過埋置於淺表地層中的管匯換熱器與淺表地層進行熱交換，夏季將空調蒸發器的熱量釋放到相對較低溫度的淺表地層中，並儲存起來；冬季通過管匯和四通閥門的開閉，實現將淺表地層的熱量與空調冷凝器進行換熱，將淺表地層中的熱量取出來，並在一年的儲熱和取熱週期裡，通過系統設計或系統的外加配置，實現淺表地層的熱量平衡，保證系統的製冷、制暖使用效率和淺表地層的換熱能力。
三聯供系統主要由發電機組和製冷制暖機組組成，其工作原理是系統通過燃氣輪機或燃氣內燃機消耗天然氣帶動發電機發電，再利用燃氣輪機或燃氣內燃機排放的煙氣推動溴化鋰機組等空調設備，實現製冷、制暖和生活熱水的供應。將天然氣燃燒後的餘熱進行回收利用，從而提高能源綜合利用效率。
採用地源熱泵技術和三聯供技術的空調系統，都是利用一套設備實現夏季製冷、冬季供暖、全年提供生活熱水的功能，相比傳統制冷、制暖空調系統，節約了設備投入，且減少運維費用，還能全年提供生活熱水。
新能源地源熱泵技術和燃氣分佈式能源三聯供技術的發展歷史
地源熱泵的概念最早出現在1912年瑞士的一份專利文獻中。並於當年瑞士蘇黎世成功安裝了一套以河水為淺層地熱源的熱泵系統用以制暖，並以此申報了專利，這就是最早的地源熱泵系統，也是世界上第一個地源熱泵系統。地源熱泵技術在我國起步較晚，在20世紀50年代，我國開始了地源熱泵技術的研究和嘗試運用。20世紀90年代開始推廣使用。我國政府為了推廣這種新能源技術，在1997年，我國科技部與美國能源部簽署的中美能源效率及可再生能源合作協定書中就有關於地源熱泵的發展戰略，次年，中美雙方在北京、寧波、廣州合作建立了三個地源熱泵項目，並取得了成功。進入21世紀後，我國的地源熱泵項目以每年10%-18%的速度快速增長。
分佈式能源多采用天然氣、可再生能源等清潔能源作為燃料，天然氣分佈式能源系統是將製冷、制暖、生活熱水和電力，以及除溼等系統優化整合為一個新的、統一的能源綜合系統。國際上研究分佈式能源技術是從20世紀70年代開始，在最近十幾年得到了快速的發展。目前，燃氣冷熱電聯產已經成為天然氣分佈式能源系統的主要內容，其應用十分普遍，發電機組的餘熱80%以上被有效利用，取得了顯著效果。目前，燃氣冷熱電三聯供項目在我國應用還不是很廣泛，一些地方的實際應用項目遇到不少困難，主要是電力併網和備用電力保障問題制約了分佈式能源的應用和推廣。截至2010年底，我國燃氣發電佔火力裝機容量的3.75%，2011年末，燃氣發電裝機容量為3265KW，預計到2020年，燃氣發電裝機容量將達1.2億KW（含分佈式能源站）。將燃氣發電的煙氣利用好，實現冷熱電聯產，對於提高能源綜合利用效率具有重要意義。
新能源地源熱泵技術和燃氣分佈式能源三聯供技術在南方製冷、制暖系統中的具體應用
在南方城市，冬季需要制暖的時間短，且全年製冷、制暖的負荷相差大，因此，在南方城市增加傳統的制暖空調系統必然增加投資成本和運行成本，且收益前景不太樂觀，而合理的使用地源熱泵技術，則為南方制暖市場面臨的矛盾提供了一種解決思路。
在南方合理的使用地源熱泵技術就必須將南方制暖市場面臨的矛盾和地源熱泵的工況要求相結合，因此，為了降低投資成本和解決冷熱負荷不平衡的問題，在實際應用中，可考慮地源熱泵系統與常規制冷系統組合製冷，地源熱泵系統制暖的方案來實現,既降低了初投資成本，也解決了冷熱負荷不平衡的問題。即在夏季製冷工況，配置一定比例的常規冷水或冷風機組承擔峰值冷負荷，常規冷水或冷風機組通過冷卻塔或冷卻風機承擔空調系統的部分夏季排熱量。採用“水冷（冷風）機組+地源熱泵機組（可帶全熱回收）”混合式系統，夏季由常規冷水（冷風）機組及地源熱泵機組（全熱回收）聯合制冷，並提供夏季生活熱水；冬季由地源熱泵機組製備熱水集中制暖；另配一臺高溫地源熱泵機組，非製冷季節時，運行製備生活熱水，滿足酒店和公寓等需要24h提供生活熱水的客戶。這種系統應用於南方製冷、制暖空調系統中，可有效降低運維費用，自動化程度高，使用壽命長，實現地源熱泵系統分區運行，提高淺層地熱能的換熱效果，延緩換熱能力衰減等諸多優點。據公司在我國西南地區建設的供能總建築面積24.6萬平方米的空調系統，採用水冷機組+地源熱泵機組（帶全熱回收）”的混合式系統，經核算，系統初投資成本比採用傳統變頻多聯機空調系統減少了10%，後期運維成本減少了30%-40%，且設備集中，自動化程度高，方便運維管理。
圖1 地源熱泵控制系統圖（系統截圖）
天然氣分佈式能源項目多采用熱電聯產或冷熱電聯產的運行方式，在南方製冷、供暖系統應用中，可按照“以熱定電”，用最小的裝機容量滿足熱負荷需求，即用“最大的供熱能力利用率”來確定系統的設計規模，它比“熱點比”更科學、也更易於操作，更能體現產業政策定量的要求，以滿足火電裝機規模宏觀調控的要求，減少對電網的衝擊。天然氣分佈式能源系統一般以小規模（千萬至兆瓦級）、分散式的方式佈置在用戶附近。
在南方製冷、供暖系統應用中，對於小規模、24小時有製冷、制暖及生活熱水需求的用戶以及全年冷熱負荷有較大差異的地方，可採用天然氣分佈式能源空調系統或與其他空調模式（傳統變頻空調或熱泵空調）的混合系統。在南方市場，可按照用戶的制暖負荷設計天然氣分佈式能源系統的規模，夏季不足的負荷，用其他空調模式（傳統變頻空調或熱泵空調）進行調峰。據我公司在兩調度中心大樓分別建設的兩套天然氣分佈式能源站項目，目前使用效果良好。方案由燃氣內燃機和煙氣熱水補燃型溴化鋰冷溫水機組成，燃氣內燃機高溫缸套水及高溫煙氣均進入溴化鋰機組，製取冷凍水或熱水，為整棟大樓製冷、制暖和提供生活熱水。方案所配燃氣發電機組發電量為整棟調度中心基本電負荷，高峰電負荷不足部分由市電補充，大樓低負荷時發電機組餘量上網，夏季和冬季分別為大樓提供製冷和制暖，並全天提供生活熱水，滿足大樓所有空調負荷（發動機餘熱不足部分由溴化鋰機組補燃補充）。本調度中心為全年24小時運行，由於在分時電價下谷電較低，因此，燃氣分佈式能源站發電機在非谷時段運行，所產生的餘熱進入溴化鋰機組，製取冷凍水或熱水供大樓使用，冷、熱負荷不足部分由天然氣補燃補充，發電機組採用自發自用，餘電上網的原則。在谷電或發電機檢修等停機時段，調度中心大樓冷、熱負荷由天然氣補燃承擔，電負荷由市電承擔。系統在正常運行時，燃氣發電機組煙氣已基本能解決大樓冷、熱負荷的需求，無需額外補充天然氣。因此，系統採用能源階梯利用原理，使一次能源綜合利用效率和效益大幅提高，較好的降低了運行成本；與傳統燃煤發電分供方式比較，二氧化碳排放可降低50%，基本無二氧化硫等汙染物，大量減少了煙氣中的溫室氣體和其他有害其他成分。
圖2 燃氣三聯供工藝流程圖（系統截圖）
雖然天然氣分佈式能源現缺乏規模經濟性，但作為集中式發電的一種重要補充，以天然氣為一次能源，對電力和天然氣具有雙重削峰填谷的作用，對於解決市電供需矛盾，增強供電安全性，分散投資風險，解決邊遠山區、牧區、偏遠農村地區的用電及製冷、制暖問題，以及提高能源綜合利用效率，具有十分廣闊的應用前景。
新能源技術、分佈式能源技術在南方製冷、制暖系統中的應用，需考慮區域適宜性。淺層地熱能項目的設計建設需要考慮項目所在地的氣候和自然資源，臨近地表水、地下水資源豐富地區可考慮利用水源地源熱泵系統，土地資源豐富地區可考慮使用土壤源地源熱泵系統，城市汙水儲量大的城市可考慮使用汙水源地源熱泵系統等。因此，新能源技術中的淺層地熱能技術使用範圍受地理環境及自然資源影響，施工工藝複雜，單位能耗建設成本高，但配置靈活，系統穩定性好，運維成本低，綠色節能環保，屬於可再生能源利用技術。分佈式能源技術，尤其是燃氣分佈式能源三聯供系統更適宜醫院、酒店、24小時工作值守等用戶，系統建造簡單，技術成熟，但經濟效益受氣價、上網電價等因素影響較大，系統穩定性較低，受噪音、對電網衝擊等影響，適宜建設中、小功率系統。綜上，新能源中的淺層地熱能利用技術、燃氣分佈式能源三聯供技術等應用於暖通工程領域，都是一套設備實現製冷、制暖和製備生活熱水，都具有節能環保高效等諸多優點，但適宜範圍和應用場景有差異，需要結合用戶需求及項目所在地的特殊自然資源、氣候環境及政策因素等綜合考慮，可獨立使用、也可採用多種方式的混合系統，因此，在項目前期調研、設計時，結合用戶需求、環境因素、政策條件等，綜合考慮多種情況，選出較適宜的項目方案和選型，以獲得較大的綜合效益。
本文選自《供熱計量》2019年12月刊
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