国家能源局入编案例
徐州荣盛花语城
污水源热泵能源站可再生能源项目
一、项目基本情况
徐州荣盛花语城污水源热泵供暖、制冷能源站项目位于徐州市泉山区三环南路与长安路交叉路口东侧,项目集住宅、商业综合体、沿街商铺为一体的商业综合体,总建筑面积约为1080195.8㎡;本项目供暖面积83.8万㎡,其中12.6万㎡商业部分采用中央空调方式供暖、供冷,剩余约71.2万㎡住宅部分采用地暖形式供暖。
本项目共建设3个能源综合能源站,位于项目地下室,包括热泵机房、污水换热泵房、电控室、值班室、办公室及配电室,机房总供热量为36400kW,供冷量20034kW。总使用面积3000㎡,我方拥有30年的运营权,服务期满后要将能源站、市政取排水管路以及能源站配套的配电室产权及使用权归甲方所有,服务期满后我方享有优先继续服务权。
二、技术路线及工艺流程
1. 负荷情况
2. 技术路线
该项目采用可再生中水污水源热泵技术,引用项目对面国祯污水处理厂排放出的中水作为冷热源,通过哈工大专利技术---流道式可再生水换热器与中介水交换,产生冷热给住宅供冷暖的技术原理。利用国祯污水处理厂排放的中水,经实际测量中水渠水流量约为9000 m3/h,本项目中水用量为4886.8 m3/h,所以本项目中水量非常充足。 建筑供暖末端采用地热盘管和中央空调,地热盘管系统水供回水温度设定为45/35℃,中央空调供回水温度为50/40℃。建筑供冷末端采用中央空调,系统供回水温度为7/12℃。
(1)中水用量
本项目热泵系统供热量为34.73MW,除B2地块选择螺杆式机组外,其他地块均选择离心式机组。在现有的污水工况和制热工况下,本项目的中水总用量为:4886.8 m3/h。计算公式:
式中,QY ——污水中的提热量,kW;
G —— 冬季污水的最低h流量,kg/h;
C —— 水的热容,4.18kj/kg·k;
△T —— 污水进、出水温差,5℃。
根据我们对国祯污水处理厂中水水温水量的监测记录和现有使用情况的了解,其可用流量平均为9000 m3/h,平均温度为13℃,本项目污水源热泵系统在极寒天气,系统满负荷运行时污水最大用量为4886.8m3/h,污水流量和温度均可满足项目使用。
(2)污水引退水方式
在距离热泵机房最近的污水干渠附近,修建一个污水提升泵站,用以安装污水提升泵;然后按照市政施工要求在距离提升泵站较近的污水主干渠开口取水,敷设一条污水管道,管道应以3‰或5‰的坡度,将市政干渠内的部分污水,以重力流引至污水提升泵站内,用污水提升泵将污水送至机房内的污水专用换热器中,供污水源热泵系统提热或散热。
换热后的污水要排回污水干渠,如果排回取水干渠,则退水点与取水点应离50米以上,并在取水点的下游;也可以就近排放至其他污水渠。具体示意见下图所示。
引退水示意图(地下)
3. 系统配置
项目目主要分为室外引退水管网、污水泵坑及机房内部设备三部分组成。引退水采用顶管施工,从污水处理厂中水排放主管网切口接管沿着长安路至荣盛花语城项目红线内,单程1.74km。污水泵坑内主要设备为污水提升泵,机房内主要设备为热泵主机、水泵、换热器等。
污水泵坑内主要设备为7台90kW污水提升泵。
A地块商业机房内设备为42台型号为JTHR-WLT-200-0.3/0.2的污水换热器和3台75kW末端循环泵、3台55kW中介水循环泵,配制热量为4600kW的离心式热泵机组2台。
A地块住宅机房内设备为5台30kW末端循环泵、3台75kW中介水循环泵,配制热量为2600kW的离心式热泵机组4台。
B地块住宅机房内设备为5台55kW末端循环泵、5台90kW中介水循环泵,配制热量为2100kW的离心式热泵机组8台。
(1)热泵机组运行参数
注:(1)全部工程总的中水用量为4885.8m3/h。
(2)热泵系统以环境最恶劣的情况设计,表中所列热泵功率为全年最高值。
(三)关于系统运行参数
1. 中水侧及介质水侧运行参数
根据提供的全年中水温度资料,并结合热泵机组蒸发器最低蒸发温度要求、冷凝器冷凝温度,确定中水侧及介质水侧运行参数如下:
2. 用户侧运行参数
本项目主要服务对象为现荣盛花语城项目住宅,根据业主提供的系统冷负荷、热负荷及水系统设计供、回水温度资料,确定供回水温度如下表:
3. 系统关键设备——流道式污水专用换热器
哈尔滨工业大学经过多年潜心研究,经过了大量的现场实验,最终彻底解决了这一难题。采用独特的“污水侧无触点单宽流道”设计,依靠中介水侧内支撑,即保证了换热面的抗挠度和设备承压能力,又保证了污水、废水无需前置防堵、过滤措施在换热器内顺畅通过。
两侧介质在流动过程中产生紊流和扰动,延缓污垢的集聚、提高了传热效率。清洗周期长达6个月以上。
污水侧采用大截面、单流程,中介水侧采用小截面多层并联再串联设计,总体上保持两种介质的逆流换热,保证了传热系数的同时减小了设备占地面积。
产品原理及优势:
哈工大金涛流道式污水及地表水源热泵系统,配置自主研发的流道式污水换热器作为热能采集设备,无需前置防堵过滤措施,污水中常见的污杂物可以无阻塞顺利通过,污水在流动过程中将热量传递给清洁的中介水,有效解决了污水热能开发利用过程中常见的堵塞、污染以及腐蚀问题。
1)污水侧无触点、无障碍物、单宽流道设计,对污水中常见的漂浮物、悬浮物、易沉固体等可见污杂物具备极强的抗堵性能,清洗周期可达180天以上;
2)污水侧可快速开启,便于维护清洗;标准化、模块式组装工艺,设备承压可达1MPa以上;
3)采用热浸锌、阳极氧化等有针对性的防腐工艺,原生污水工况下设备使用寿命不低于10年;
4)污水侧采用大截面、单流程,中介水侧采用小截面多层并联再串联设计,总体上保持两种介质的逆流换热,传热系数高、占地面积小;广泛适用于各类城镇污水、地表水等含有固体污杂物的低温污废水热能采集,也可用于硬度较低、无析晶、结垢现象的各类中高温工业废水的热能回收。
该项目还采用了东方电子控制系统及云平台技术根据项目的设计图纸,结合建筑节能标准等,分析该项目控制方面有以下几大优点:
安全可靠:
采用切实可行的措施确保系统的安全可靠运行是中央空调控制系统设计的关键。不合理的控制方案必然会给系统的运行留下隐患。
本项目较常规中央空调更为复杂,有其运行时间较长等的特殊性。离心机有小负荷喘振,螺杆压缩机有低负荷低效、过渡季节难开机等不利状况,因此,针对本项目中央空调系统,除要求有针对性的设计中央空调主机外,利用自动化控制技术,实现系统安全可靠运行是关键。
环保节能:
环保性
系统运营中,应尽可能减少电力消耗的同时,减少污染物排放,改善大气环境。采用节能的设备和控制系统可大大降低运行费用,减少排出的污染物质和温室效应气体,降低P㎡.5浓度。
节能性
没有优秀的节能设计方案势必导致全年运行能耗较高,因此应注重系统节能方案设计和高效运营。
系统的高效运行除了要求有合理的系统形式还要有优秀的控制方案。常规中央空调系统往往是根据建筑当地的气象资料(最高/低气温)和建筑物的特点而设计,主机、水泵都有一定余量,在不同季节、不同时段时,空调系统全年部分负荷运行的时间约90%以上。且常规中央空调系统一般都不采用集中控制系统,系统的运行管理复杂。且空调主机和附属设备均采用定流量、定温度运行模式。只要空调主机启动,循环水泵、冷却泵都在工频状态下运行,系统整体能耗也势必较高,本项目循环泵采用变频控制,结合较好的节能智能化控制,可有效果降低系统运行费用。
能源管理及持续节能优化:
能源分项计量和持续节能
中央空调系统是由多个设备组成的系统,需要由各个设备之间匹配运行,才能实现正常的供冷。由于系统中包含多个设备,且各个设备的运行对系统整体效率都有影响,因此要实现系统节能的前提是对现有系统能耗情况的详尽掌握,因此,应对中央空调系统中的各个设备进行分类分项电能计量,为系统的持续节能方案的实施提供数据和依据。
智能化管理和人性化操作
系统完全依靠人工管理,系统运行效果受个人的依赖很大,不但空调使用效果受影响,而且系统运行成本也势必较高,造成较大的能源浪费。系统运行对操作和维护人员的要求较高,带来管理成本的提高。因此,采用集中控制系统实现系统的自动化、智能化运行、人性化操作是必需的。
云服务系统:
通过先进的云服务能够远程掌握中央空调设备及系统的真实、详细的运行状况,并且能够帮助分析数据的深刻价值,提供专业的运维服务,实现远程实时监控、数据采集与存储、实时预报警处理、数据挖掘能效优化、售后服务管理、远程支持、客户在线联络等功能,提高系统运营和设备服务的质量、效率,提高系统竞争力和客户满意度。
视频监控:
用户采用远程集中存储的视频云监控方案,搭建企业千兆网络的视频监控云服务平台,分站空调机房需安装相应网络摄像机等辅助设备,通过运营商提供的专用网络传输至总控调度中心进行存储、实时浏览并且实现对各个分站视频和数据远程监控,达到无人化值守节约人力的目的。
综上所述,我们采用东方电子最新的中央空调节能智能控制技术,实现对荣盛花语城项目能源站机房设备的节能、智能控制,确保系统运行效果的前提下,实现系统高效节能、高舒适度、智能自动运行。
4. 运行情况
以2022-2023年供暖季为例:
2022年11月16日花语城A、B地块能源站开始供暖试运行,系统采用群控、节能模式,热泵主机根据分时段补偿,调节出水温度; 未来广场站采用群控模式,根据供暖期阶段合理安排热泵设备、水泵、污水换热器的运行台数:
荣盛花语城A地块能源站运行116天,整体用热率为46.7%,上年度为49%,高、低区热泵主机负荷为65~90%之间,总用电量较上年度增加122538 kWh。
三、项目经营模式
1. 投资概算及经营模式
本项目工程主要包含:污水引退水管路敷设及污水换热泵房工程、热泵机房建设工程、机房内污水源热泵系统设备及施工、供暖外网管路敷设(机房至换热站)、高低压配电工程。项目总投资约12007万元。具体项目如下表所示:
本项目的土建、配电等配套设施按可供热83.8万㎡的能力建设;总投资约12007万元。经济分析按最大供热能力计算。
本项目采用污水源热泵系统为建筑供热,大量利用可再生能源——城市污水作为城市供热的主要热源,相对于燃煤锅炉房相比,提高一次能源利用率,节能减排效果明显。
本项目运营费用包括:动力成本,职工福利、折旧费、维修费、税金。营业收入包括供暖费和空调费。接口费按75元/㎡计算,电费0.525元/kWh,住宅供暖费收费标准为23元/㎡,商业供暖费收费标准为9.5元/㎡·月。本项目回收期分析如下表。
由上表可见本项目回收期为6.84年,为此类工程中不可多得的优质项目。
所以本项目采用徐州金茂智慧能源公司投资的方式,无论是在资金投入还是在运营上都具有极大优势。
四、经济效益分析
1. 经济效益
编制依据
依据《关于固定资产工程项目可行性研究报告“节能篇(章)”编制及评估的规定》中的有关要求进行编制。
能耗指标及能耗分析
能耗指标
节约和合理利用能源是国家在经济发展和各项建设工程中的一项重要方针政策。根据国家当前经济高速发展的形势,工程项目采用现代高效节能的先进设备,工程设计中采用先进供暖工艺系统是达到节能的根本措施,为此在本工程中将认真贯彻节约和合理利用能源方针,采取切实可行措施,以求达到最佳效果。
利用可再生污水源热泵技术建立城市集中供暖系统相对传统的燃煤锅炉供暖系统而言,就是一项节能降耗,减少一次能源消耗的节能系统工程。通过能源利用效率指标的对比,可以清晰的看出热泵系统的节能效果。
能耗分析
由于热泵能够使低温热能得到有效利用,达到节约能源,提高能源利用率的目的,因而受到普遍重视。以下通过与常规锅炉供暖方式进行定性与定量的比较。(资料引用《热能转换与利用》第二版 冶金工业出版社)
引用“供热指数 k”,它是指热用户得到的热量Q1与燃料提供的热量BQdw之比,即:
式中 B――-标准煤燃料消耗量, kg/h;Qdw―――标准煤热值7000kcal/kg 。
Q1―――用户得热。
项目能耗计算
(1)设备耗电量统计
(2)系统能耗比较
污水源热泵能源站冬季节能指标
每t标准煤,排放:二氧化碳2.62t、二氧化硫8.5㎏、氮氧化物7.4㎏、一氧化碳23 kg/t。
夏季供冷能耗比较
污水源热泵能源站夏季节能指标
每t标准煤,排放:二氧化碳2.62t、二氧化硫8.5㎏、氮氧化物7.4㎏、一氧化碳23 kg/t。
污水源热泵能源站全年节能指标
节能率:85%
通过采用节能智能系统解决方案及产品,可确保系统运行稳定可靠,且节能效果显著,技术节能与行为节能相结合,本项目中央空调控制系统节能率不低于20%,直接经济效应显著。机房完全可实现无人职守,节约大量的人员投入费用。
出色的中央空调节能控制系统在节约能源费用的同时环境效应显著,一次能源利用率高,预估每年每㎡建筑可再节约标准煤燃烧17t,削减约42t氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳的排放,减排粉尘14t。
高度智能化
采用节能运营控制系统,系统监控图片化,操作方便,人性化。
系统各设备的启停由系统自动控制,自动化控制程度得到了提高,减少了操作人员的工作,而且大大减低了人工操作对系统稳定性的影响。
泵可以在低频状态下启动,从而最大限度地减少了对电网的冲击和对泵组电机的磨损,延长了设备的使用寿命,降低了设备的维修成本。
能耗分项计量与管理,电能进行分项计量,使得项目节能效果可计量、可监测、可考核,可延展、预留与企业能源管理云平台接口条件。
综上所述,徐州荣盛花语城污水源热泵能源站是徐州市绿色建筑示范城市的可再生能源区域能源站示范项目,获得过200万元的奖补资金。该项目作为徐州市第一例中水再使用可再生能源区域能源站,采用城市污水可再生能源—奎河污水处理厂的中水,通过污水源热泵技术,实现供冷供热,节能环保效果明显,高度切合国家“碳达峰、碳中和”政策发展要求,对徐州城市供能绿色低碳发展具有较强的示范意义。
五、突出亮点
本项目为徐州市第一例中水源热泵项目,集合了冷暖双供的特点,因地制宜的利用奎河污水处理厂处理完的尾水,充分表现了可再生能源利用的属性。项目投资建设运营均为央属企业,为徐州市可再生能源利用提供了里程碑式的突破。后期的运维管理利用云平台技术,在徐州市供暖市场也属独树一帜。
六、问题和建议
希望可再生能源利用项目在徐州市区及各县区大力宣传和推广,为徐州市碳中和碳达峰作出应有的贡献。