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随着全球气候的不断变迁，我国南方地区不断出现高温、湿热、低温、冰冻等极端天气，同时也随着国家经济的快速发展，人民物质生活水平的极大提高，南方地区对制冷、制暖的需求越来越高，尤其是对冬季制暖的需求，但受限于南方普遍制暖的时间短、制暖能耗比制冷能耗小等因素影响，因此，南方制暖系统的投资收益，尤其是应用于工业领域或城市集中制暖系统的投资收益，成为暖通工程领域需要解决的一个重要问题。同时，国家也一直提倡建设资源节约型、环境友好型社会，绿水青山就是金山银山的发展理念，因此，南方制冷、制暖系统还必须优先考虑节能环保技术的应用。
本文主要通过新能源中的地源热泵技术和分布式能源中的冷、热、电三联供技术应用于南方制冷、供暖系统进行探讨，以及应用于南方供暖系统中的投资收益和环境保护问题，并简单对比地源热泵技术和三联供技术之间的应用条件和范围。
浅层地热能是指地表受太阳辐射与地球梯度温升的影响，利用现有技术能开发利用的热能资源。地表土壤、江河湖泊、浅层地下水等受太阳辐射与地球梯度温升的影响而常年保持在一定的温度范围内，具有储能大、分布可利用范围广、可再生等多种优势，利用地源热泵技术采集地表浅层地热能资源应用于暖通工程的制冷、制暖，可有效地节约资源、降低系统运行维护费用和保护环境。
新能源地源热泵技术和燃气分布式能源三联供技术的工作原理简介
地源热泵技术利用浅层地热能的工作原理是通过埋置于浅表地层中的管汇换热器与浅表地层进行热交换，夏季将空调蒸发器的热量释放到相对较低温度的浅表地层中，并储存起来；冬季通过管汇和四通阀门的开闭，实现将浅表地层的热量与空调冷凝器进行换热，将浅表地层中的热量取出来，并在一年的储热和取热周期里，通过系统设计或系统的外加配置，实现浅表地层的热量平衡，保证系统的制冷、制暖使用效率和浅表地层的换热能力。
三联供系统主要由发电机组和制冷制暖机组组成，其工作原理是系统通过燃气轮机或燃气内燃机消耗天然气带动发电机发电，再利用燃气轮机或燃气内燃机排放的烟气推动溴化锂机组等空调设备，实现制冷、制暖和生活热水的供应。将天然气燃烧后的余热进行回收利用，从而提高能源综合利用效率。
采用地源热泵技术和三联供技术的空调系统，都是利用一套设备实现夏季制冷、冬季供暖、全年提供生活热水的功能，相比传统制冷、制暖空调系统，节约了设备投入，且减少运维费用，还能全年提供生活热水。
新能源地源热泵技术和燃气分布式能源三联供技术的发展历史
地源热泵的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中。并于当年瑞士苏黎世成功安装了一套以河水为浅层地热源的热泵系统用以制暖，并以此申报了专利，这就是最早的地源热泵系统，也是世界上第一个地源热泵系统。地源热泵技术在我国起步较晚，在20世纪50年代，我国开始了地源热泵技术的研究和尝试运用。20世纪90年代开始推广使用。我国政府为了推广这种新能源技术，在1997年，我国科技部与美国能源部签署的中美能源效率及可再生能源合作协定书中就有关于地源热泵的发展战略，次年，中美双方在北京、宁波、广州合作建立了三个地源热泵项目，并取得了成功。进入21世纪后，我国的地源热泵项目以每年10%-18%的速度快速增长。
分布式能源多采用天然气、可再生能源等清洁能源作为燃料，天然气分布式能源系统是将制冷、制暖、生活热水和电力，以及除湿等系统优化整合为一个新的、统一的能源综合系统。国际上研究分布式能源技术是从20世纪70年代开始，在最近十几年得到了快速的发展。目前，燃气冷热电联产已经成为天然气分布式能源系统的主要内容，其应用十分普遍，发电机组的余热80%以上被有效利用，取得了显著效果。目前，燃气冷热电三联供项目在我国应用还不是很广泛，一些地方的实际应用项目遇到不少困难，主要是电力并网和备用电力保障问题制约了分布式能源的应用和推广。截至2010年底，我国燃气发电占火力装机容量的3.75%，2011年末，燃气发电装机容量为3265KW，预计到2020年，燃气发电装机容量将达1.2亿KW（含分布式能源站）。将燃气发电的烟气利用好，实现冷热电联产，对于提高能源综合利用效率具有重要意义。
新能源地源热泵技术和燃气分布式能源三联供技术在南方制冷、制暖系统中的具体应用
在南方城市，冬季需要制暖的时间短，且全年制冷、制暖的负荷相差大，因此，在南方城市增加传统的制暖空调系统必然增加投资成本和运行成本，且收益前景不太乐观，而合理的使用地源热泵技术，则为南方制暖市场面临的矛盾提供了一种解决思路。
在南方合理的使用地源热泵技术就必须将南方制暖市场面临的矛盾和地源热泵的工况要求相结合，因此，为了降低投资成本和解决冷热负荷不平衡的问题，在实际应用中，可考虑地源热泵系统与常规制冷系统组合制冷，地源热泵系统制暖的方案来实现,既降低了初投资成本，也解决了冷热负荷不平衡的问题。即在夏季制冷工况，配置一定比例的常规冷水或冷风机组承担峰值冷负荷，常规冷水或冷风机组通过冷却塔或冷却风机承担空调系统的部分夏季排热量。采用“水冷（冷风）机组+地源热泵机组（可带全热回收）”混合式系统，夏季由常规冷水（冷风）机组及地源热泵机组（全热回收）联合制冷，并提供夏季生活热水；冬季由地源热泵机组制备热水集中制暖；另配一台高温地源热泵机组，非制冷季节时，运行制备生活热水，满足酒店和公寓等需要24h提供生活热水的客户。这种系统应用于南方制冷、制暖空调系统中，可有效降低运维费用，自动化程度高，使用寿命长，实现地源热泵系统分区运行，提高浅层地热能的换热效果，延缓换热能力衰减等诸多优点。据公司在我国西南地区建设的供能总建筑面积24.6万平方米的空调系统，采用水冷机组+地源热泵机组（带全热回收）”的混合式系统，经核算，系统初投资成本比采用传统变频多联机空调系统减少了10%，后期运维成本减少了30%-40%，且设备集中，自动化程度高，方便运维管理。
图1 地源热泵控制系统图（系统截图）
天然气分布式能源项目多采用热电联产或冷热电联产的运行方式，在南方制冷、供暖系统应用中，可按照“以热定电”，用最小的装机容量满足热负荷需求，即用“最大的供热能力利用率”来确定系统的设计规模，它比“热点比”更科学、也更易于操作，更能体现产业政策定量的要求，以满足火电装机规模宏观调控的要求，减少对电网的冲击。天然气分布式能源系统一般以小规模（千万至兆瓦级）、分散式的方式布置在用户附近。
在南方制冷、供暖系统应用中，对于小规模、24小时有制冷、制暖及生活热水需求的用户以及全年冷热负荷有较大差异的地方，可采用天然气分布式能源空调系统或与其他空调模式（传统变频空调或热泵空调）的混合系统。在南方市场，可按照用户的制暖负荷设计天然气分布式能源系统的规模，夏季不足的负荷，用其他空调模式（传统变频空调或热泵空调）进行调峰。据我公司在两调度中心大楼分别建设的两套天然气分布式能源站项目，目前使用效果良好。方案由燃气内燃机和烟气热水补燃型溴化锂冷温水机组成，燃气内燃机高温缸套水及高温烟气均进入溴化锂机组，制取冷冻水或热水，为整栋大楼制冷、制暖和提供生活热水。方案所配燃气发电机组发电量为整栋调度中心基本电负荷，高峰电负荷不足部分由市电补充，大楼低负荷时发电机组余量上网，夏季和冬季分别为大楼提供制冷和制暖，并全天提供生活热水，满足大楼所有空调负荷（发动机余热不足部分由溴化锂机组补燃补充）。本调度中心为全年24小时运行，由于在分时电价下谷电较低，因此，燃气分布式能源站发电机在非谷时段运行，所产生的余热进入溴化锂机组，制取冷冻水或热水供大楼使用，冷、热负荷不足部分由天然气补燃补充，发电机组采用自发自用，余电上网的原则。在谷电或发电机检修等停机时段，调度中心大楼冷、热负荷由天然气补燃承担，电负荷由市电承担。系统在正常运行时，燃气发电机组烟气已基本能解决大楼冷、热负荷的需求，无需额外补充天然气。因此，系统采用能源阶梯利用原理，使一次能源综合利用效率和效益大幅提高，较好的降低了运行成本；与传统燃煤发电分供方式比较，二氧化碳排放可降低50%，基本无二氧化硫等污染物，大量减少了烟气中的温室气体和其他有害其他成分。
图2 燃气三联供工艺流程图（系统截图）
虽然天然气分布式能源现缺乏规模经济性，但作为集中式发电的一种重要补充，以天然气为一次能源，对电力和天然气具有双重削峰填谷的作用，对于解决市电供需矛盾，增强供电安全性，分散投资风险，解决边远山区、牧区、偏远农村地区的用电及制冷、制暖问题，以及提高能源综合利用效率，具有十分广阔的应用前景。
新能源技术、分布式能源技术在南方制冷、制暖系统中的应用，需考虑区域适宜性。浅层地热能项目的设计建设需要考虑项目所在地的气候和自然资源，临近地表水、地下水资源丰富地区可考虑利用水源地源热泵系统，土地资源丰富地区可考虑使用土壤源地源热泵系统，城市污水储量大的城市可考虑使用污水源地源热泵系统等。因此，新能源技术中的浅层地热能技术使用范围受地理环境及自然资源影响，施工工艺复杂，单位能耗建设成本高，但配置灵活，系统稳定性好，运维成本低，绿色节能环保，属于可再生能源利用技术。分布式能源技术，尤其是燃气分布式能源三联供系统更适宜医院、酒店、24小时工作值守等用户，系统建造简单，技术成熟，但经济效益受气价、上网电价等因素影响较大，系统稳定性较低，受噪音、对电网冲击等影响，适宜建设中、小功率系统。综上，新能源中的浅层地热能利用技术、燃气分布式能源三联供技术等应用于暖通工程领域，都是一套设备实现制冷、制暖和制备生活热水，都具有节能环保高效等诸多优点，但适宜范围和应用场景有差异，需要结合用户需求及项目所在地的特殊自然资源、气候环境及政策因素等综合考虑，可独立使用、也可采用多种方式的混合系统，因此，在项目前期调研、设计时，结合用户需求、环境因素、政策条件等，综合考虑多种情况，选出较适宜的项目方案和选型，以获得较大的综合效益。
本文选自《供热计量》2019年12月刊
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