如何“多能互補(bǔ)”，北京某靜脈產(chǎn)業(yè)園的實踐與啟示

來源《CE碳科技》微信公眾號

作者中城環(huán)境屈志敏、呂蒙

屈志敏現(xiàn)就職于中城環(huán)境第三事業(yè)部，注冊公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），注冊咨詢（投資）工程師，作為主要參編人參與了《生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站除臭技術(shù)要求》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制，從事咨詢設(shè)計工作近十年，目前主要從事暖通設(shè)計、除臭通風(fēng)設(shè)計、新能源綜合應(yīng)用研究相關(guān)工作。

2022年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》，該方案提出，要優(yōu)化城市建設(shè)用能結(jié)構(gòu)，推進(jìn)建筑太陽能光伏一體化建設(shè)，推動既有公共建筑屋頂加裝太陽能光伏系統(tǒng)，加快智能光伏應(yīng)用推廣，在太陽能資源較豐富地區(qū)及有穩(wěn)定熱水需求的建筑中，積極推廣太陽能光熱建筑應(yīng)用，同時因地制宜推進(jìn)地?zé)崮?、生物質(zhì)能應(yīng)用，推廣空氣源等各類電動熱泵技術(shù)。

在這樣的大背景下，工業(yè)園區(qū)積極向零碳園區(qū)發(fā)展，優(yōu)化工業(yè)園區(qū)能源供應(yīng)方案尤為必要。本文以北京市某靜脈產(chǎn)業(yè)園為例，從園區(qū)可利用的能源類型出發(fā)，對光伏發(fā)電、空氣源熱泵、水源熱泵、沼氣發(fā)電、沼氣鍋爐等能源利用形式進(jìn)行分析，確定合理的供能方案，形成以可再生清潔能源、可利用工業(yè)余熱為主的清潔能源結(jié)構(gòu)，為發(fā)展零碳園區(qū)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

一、項目概況

某廚余垃圾處理項目位于該靜脈產(chǎn)業(yè)園，以處理廚余垃圾為主，配套建設(shè)污水處理系統(tǒng)及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼系統(tǒng)。該園區(qū)有已建成的垃圾焚燒廠，可直接為該項目提供蒸汽。該項目主要有4座單體建筑，其基本信息如表1所示。經(jīng)合計，項目占地面積為10120.52m2，建筑面積為16145.62m2。

園區(qū)可自供能源有該項目鄰廠焚燒中心蒸汽、生產(chǎn)工藝自產(chǎn)沼氣、污水處理系統(tǒng)自產(chǎn)再生水；可利用的可再生能源有太陽能、空氣能等。其中，污水處理系統(tǒng)設(shè)計污水處理量為850m3/d，平均處理量為35.4m3/h；園區(qū)規(guī)劃可利用沼氣量為110000Nm3/d，平均小時沼氣量為4583Nm3/h，光伏板可規(guī)劃利用屋頂面積為6000m2。

表1 單體建筑基本信息

二、用能需求分析

1、工藝生產(chǎn)用汽

廚余垃圾處理中，工藝生產(chǎn)采用氣壓0.8MPa的飽和蒸汽，最大用汽量為10t/h，其中除油工藝8t/h，脫氨工藝2t/h；全天總用汽量為128t/d，其中除油工藝80t/d，脫氨工藝48t/d。

2、建筑空調(diào)用熱用冷

各單體建筑空調(diào)能耗包括冬季供暖和夏季供冷兩部分。供暖及供冷負(fù)荷均按指標(biāo)估算確定，如表2所示。經(jīng)合計，計算負(fù)荷總量為1380kW。

表2 建筑空調(diào)用熱用冷負(fù)荷估算

2、生產(chǎn)生活用電

該項目為工業(yè)項目，光伏發(fā)電量可作為自用電完全消納。為便于對比分析能源效率及用能成本，以光伏發(fā)電系統(tǒng)計算的可發(fā)電量為項目用電量，其余用電均為市政用電，不計入對比分析范圍。沼氣用能方案分析需要統(tǒng)一口徑，沼氣規(guī)劃方案為全部發(fā)電上網(wǎng)，故將沼氣發(fā)電上網(wǎng)收益損失作為沼氣使用成本。

三、能源利用效率分析

1、光伏發(fā)電

該項目光伏板可利用屋頂面積為6000m2，光伏發(fā)電效率一般可達(dá)21%，即按照額定光照強(qiáng)度1000W/m2，額定發(fā)電量為210W/m2，光伏系統(tǒng)總裝機(jī)容量為1260kW，建筑光伏系統(tǒng)投資市場平均成本為4.5元/W。根據(jù)我國太陽能資源分布情況，北京市全年輻射量不少于5800MJ/（m2·a），按發(fā)電效率21%計算，考慮0.8的折減系數(shù)，該光伏系統(tǒng)單位面積的全年發(fā)電量為270kW·h/m2，全年最低發(fā)電總量為1620000kW·h。北京市工業(yè)用電價格為0.8元（/kW·h），相比市政用電，該光伏系統(tǒng)年節(jié)約用電成本129.6萬元。光伏發(fā)電系統(tǒng)的各性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計使用年限為25年，經(jīng)計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)年用電成本為22.7萬元。

表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合指標(biāo)

2、沼氣鍋爐利用

該項目可利用沼氣總量為110000m3/d，平均小時可利用沼氣量為4583m3/h。工藝生產(chǎn)沼氣的CH4含量為45%～55%，熱值為21MJ/Nm3，為天然氣的60%。常規(guī)蒸汽鍋爐效率一般不低于93%。根據(jù)式（1），可計算每蒸噸蒸汽所需消耗的沼氣量。

式中L為每蒸噸蒸汽所需沼氣量，Nm3/t；h1為氣壓0.8MPa的飽和蒸汽焓值，取2773kJ/kg；h2為20℃常溫水焓值，取83kJ/kg；qz為沼氣熱值，取21MJ/Nm3；ε為沼氣鍋爐效率，取93%。

經(jīng)計算，每蒸噸氣壓0.8MPa的飽和蒸汽消耗沼氣140m3，該工藝全天所需蒸汽量為128t/d，則對應(yīng)的沼氣量為17920m3/d。供能方案中，全部采用蒸汽換熱提供熱水進(jìn)行24h連續(xù)供暖，根據(jù)供暖負(fù)荷，折算蒸汽消耗量及所需消耗的沼氣量，如表4所示。經(jīng)合計，沼氣消耗量為4493m3/d。另外，新建沼氣鍋爐系統(tǒng)，根據(jù)最大小時用汽12t/h的需求，配置3臺額定蒸發(fā)量4t/h的沼氣鍋爐及配套補(bǔ)水系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗估算，系統(tǒng)初投資為300萬元。

表4 供暖沼氣消耗量計算

注計算負(fù)荷按0.8MPa飽和蒸汽與20℃常溫水焓差并考慮0.95的蒸汽-水換熱效率進(jìn)行折算；蒸汽消耗量按全天24h負(fù)荷恒定進(jìn)行計算。

3、沼氣發(fā)電余熱利用

沼氣通過發(fā)電機(jī)組發(fā)電上網(wǎng)，機(jī)組尾氣通過余熱鍋爐進(jìn)行二次利用，制備工藝生產(chǎn)所需0.8MPa飽和蒸汽，機(jī)組缸套冷卻水通過換熱器制備供暖所需循環(huán)熱水。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，進(jìn)口沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率可達(dá)43%，煙氣利用效率為20%，缸套冷卻水余熱利用效率為25%，即冬季熱電聯(lián)產(chǎn)總效率可達(dá)88%，夏季熱電聯(lián)產(chǎn)總效率可達(dá)63%。該項目設(shè)計沼氣量為110000Nm3/d，全部投入沼氣發(fā)電機(jī)組，按利用效率可實現(xiàn)的供能范圍如表5所示。

表5 沼氣發(fā)電余熱利用的可供用能

該項目沼氣發(fā)電的上網(wǎng)電價均價為0.45元（/kW·h）；所產(chǎn)蒸汽可覆蓋工藝生產(chǎn)所需全部用汽；所產(chǎn)熱水能夠承擔(dān)供暖負(fù)荷5350kW，按熱負(fù)荷指標(biāo)60W/m2，可負(fù)擔(dān)建筑總面積89160m2的供暖需求。沼氣發(fā)電作為園區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃方案，不受該項目的供能結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，故沼氣發(fā)電余熱利用只需要增加余熱鍋爐及換熱系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗估算，系統(tǒng)初投資為300萬元。

4、污水低品位熱能

該項目污水處理系統(tǒng)的設(shè)計污水處理規(guī)模為850t/d，流量能穩(wěn)定在800t/d，平均小時污水流量為33.3t/h。再生水對外輸送時冬季能夠維持在20℃，夏季能夠維持在25℃以上。再生水可通過水源熱泵進(jìn)行低品位熱能利用，夏季為空調(diào)系統(tǒng)提供7℃冷水，冬季為空調(diào)系統(tǒng)提供45℃熱水。一般水源熱泵機(jī)組制冷能效比能夠達(dá)到5.6，45℃制熱能效比能夠達(dá)到4.2，根據(jù)再生水小時流量，水源熱泵能夠承擔(dān)主生產(chǎn)車間、辦公區(qū)供暖及供冷負(fù)荷，水源熱泵耗電量如表6所示。該項目需要新建污水源熱泵系統(tǒng)，包括熱泵機(jī)組、一二次側(cè)循環(huán)水泵、補(bǔ)水系統(tǒng)等，根據(jù)工程測算，初投資為100萬元左右。

表6 污水源熱泵耗電量計算

注為簡化估算，日耗電量按全天24h熱負(fù)荷恒定進(jìn)行計算。

5、空氣源熱泵

空氣源熱泵受區(qū)域限制，嚴(yán)寒地區(qū)無法采用常規(guī)空氣源熱泵，氣溫-20℃以下熱泵性能衰減至少60%，與采用純電力供暖的能耗基本等效，經(jīng)濟(jì)性差。寒冷地區(qū)空氣源熱泵需要定期除霜，熱泵性能衰減40%，能效比接近2.0。長江中下游地區(qū)等夏熱冬冷地區(qū)適合采用空氣源熱泵進(jìn)行冬季供暖和夏季制冷，單獨采用空氣源制冷機(jī)組實現(xiàn)夏季供冷不受區(qū)域限制。

該項目可采用空氣源熱泵單獨為生活辦公區(qū)夏季供冷，冬季通過其他方式保證項目供暖?？諝庠礋岜弥评淠苄П炔坏陀?.6，按照此標(biāo)準(zhǔn)計算夏季供冷能耗，如表7所示。根據(jù)工程測算，空氣源熱泵系統(tǒng)初投資為80萬元左右，與污水源熱泵系統(tǒng)初投資相當(dāng)。

表7 空氣源熱泵制冷能耗計算

四、綜合能源利用經(jīng)濟(jì)性分析

1、沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電

該項目生產(chǎn)的沼氣通過沼氣鍋爐制備0.8MPa飽和蒸汽供工藝使用，部分蒸汽通過汽水換熱制備熱水，為建筑供暖提供循環(huán)熱水?？諝庠礋岜靡远嗦?lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的形式為生活辦公區(qū)夏季供冷。生產(chǎn)生活用電采用市政供電，傳統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)不使用太陽能，為與光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一經(jīng)濟(jì)性分析口徑，根據(jù)前述確定生產(chǎn)生活全年用電量為1620000kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8MPa飽和蒸汽由沼氣鍋爐提供，工藝生產(chǎn)的沼氣消耗量為17920m3/d，年用沼氣成本為725.8萬元。該項目供暖負(fù)荷為950kW，由沼氣鍋爐提供，經(jīng)前述分析，供暖沼氣消耗量為4493m3/d，年用沼氣成本為60.7萬元。該項目空調(diào)負(fù)荷為430kW，年用電量為143340kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產(chǎn)生活年用電量為1620000kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元（/kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟(jì)性分析如表8所示。

表8 沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟(jì)性分析

2、沼氣發(fā)電+空氣源熱泵+市政供電

工藝生產(chǎn)沼氣通過沼氣發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后余熱利用，同時制備0.8MPa飽和蒸汽和供暖用循環(huán)熱水。空氣源熱泵以多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的形式為項目生活辦公區(qū)夏季供冷。生產(chǎn)生活用電采用市政供電，全年用電量為1620000kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發(fā)電余熱制備，蒸汽為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目供暖負(fù)荷為950kW，全部利用沼氣發(fā)電余熱，熱水為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽換熱方式，該用熱方式不計成本。該項目空調(diào)負(fù)荷為430kW，年用電量為143340kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產(chǎn)生活年用電量為1620000kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣發(fā)電+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟(jì)性分析如表9所示。

表9 沼氣發(fā)電+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟(jì)性分析

3、沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能

該利用方式優(yōu)先使用可再生能源及工業(yè)余熱。工藝生產(chǎn)沼氣通過沼氣發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后余熱利用，同時制備0.8MPa飽和蒸汽和供暖用循環(huán)熱水。污水處理系統(tǒng)再生水通過水源熱泵同時承擔(dān)生產(chǎn)生活辦公區(qū)建筑冬季供暖和夏季供冷。屋頂敷設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)充項目用電，年發(fā)電量為1620000kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發(fā)電余熱制備，蒸汽為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目生產(chǎn)區(qū)供暖負(fù)荷為735kW，全部利用沼氣發(fā)電余熱，熱水為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽換熱方式，該用熱方式不計成本。該項目用水源熱泵承擔(dān)生產(chǎn)生活辦公區(qū)部分的冬季供暖和夏季供冷。

經(jīng)計算，水源熱泵系統(tǒng)的供暖年用電成本為11.8萬元，供冷年用電成本為7.4萬元。根據(jù)前述分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)年用電成本為22.7萬元。沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能的經(jīng)濟(jì)性分析如表10所示。

表10 沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能的經(jīng)濟(jì)性分析

4、能源結(jié)構(gòu)對比分析

從系統(tǒng)用能效率及經(jīng)濟(jì)性來看，能源結(jié)構(gòu)對比分析如表11所示。

表11 能源結(jié)構(gòu)對比分析

五、結(jié) 語

經(jīng)綜合比選，本項目最終采用沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能的多能互補(bǔ)方案，可覆蓋其全部用能需求，這是一種可再生能源利用的較優(yōu)組合，盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)初投資較高，但其投資回收期較短（4.35年）。同時，沼氣可全部發(fā)電上網(wǎng)，煙氣余熱及缸套水余熱的再利用大大降低系統(tǒng)熱能浪費，提高整體用能效率，而水源熱泵對工藝自產(chǎn)再生水的二次熱能利用進(jìn)一步提高工業(yè)園區(qū)綜合用能效率。

總體來看，綜合利用工藝自產(chǎn)沼氣、光伏發(fā)電、水源熱泵等，形成多能互補(bǔ)的能源結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)建工業(yè)園區(qū)能源中心，是未來工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)零碳排放的重要途徑，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

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