如何“多能互補” 北京某靜脈產業園的實踐與啟示！
【谷騰環保網訊】2022年7月，住房和城鄉建設部聯合國家發展和改革委員會發布《城鄉建設領域碳達峰實施方案》，該方案提出，要優化城市建設用能結構，推進建筑太陽能光伏一體化建設，推動既有公共建筑屋頂加裝太陽能光伏系統，加快智能光伏應用推廣，在太陽能資源較豐富地區及有穩定熱水需求的建筑中，積極推廣太陽能光熱建筑應用，同時因地制宜推進地熱能、生物質能應用，推廣空氣源等各類電動熱泵技術。
在這樣的大背景下，工業園區積極向零碳園區發展，優化工業園區能源供應方案尤為必要。本文以北京市某靜脈產業園為例，從園區可利用的能源類型出發，對光伏發電、空氣源熱泵、水源熱泵、沼氣發電、沼氣鍋爐等能源利用形式進行分析，確定合理的供能方案，形成以可再生清潔能源、可利用工業余熱為主的清潔能源結構，為發展零碳園區奠定技術基礎。
01.項目概況
某廚余垃圾處理項目位于該靜脈產業園，以處理廚余垃圾為主，配套建設污水處理系統及厭氧發酵產沼系統。該園區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。經合計，項目占地面積為10120.52m2，建筑面積為16145.62m2。
園區可自供能源有該項目鄰廠焚燒中心蒸汽、生產工藝自產沼氣、污水處理系統自產再生水；可利用的可再生能源有太陽能、空氣能等。其中，污水處理系統設計污水處理量為850m3/d，平均處理量為35.4m3/h；園區規劃可利用沼氣量為110000Nm3/d，平均小時沼氣量為4583Nm3/h，光伏板可規劃利用屋頂面積為6000m2。
表1 單體建筑基本信息
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02.用能需求分析
工藝生產用汽
廚余垃圾處理中，工藝生產采用氣壓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。
建筑空調用熱用冷
各單體建筑空調能耗包括冬季供暖和夏季供冷兩部分。供暖及供冷負荷均按指標估算確定，如表2所示。經合計，計算負荷總量為1380kW。
表2 建筑空調用熱用冷負荷估算
生產生活用電
該項目為工業項目，光伏發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，以光伏發電系統計算的可發電量為項目用電量，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一口徑，沼氣規劃方案為全部發電上網，故將沼氣發電上網收益損失作為沼氣使用成本。
03.能源利用效率分析
光伏發電
該項目光伏板可利用屋頂面積為6000m2，光伏發電效率一般可達21%，即按照額定光照強度1000W/m2，額定發電量為210W/m2，光伏系統總裝機容量為1260kW，建筑光伏系統投資市場平均成本為4.5元/W。根據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），按發電效率21%計算，考慮0.8的折減系數，該光伏系統單位面積的全年發電量為270kW·h/m2，全年最低發電總量為1620000kW·h。北京市工業用電價格為0.8元（/kW·h），相比市政用電，該光伏系統年節約用電成本129.6萬元。光伏發電系統的各性能指標及經濟指標如表3所示。光伏發電系統設計使用年限為25年，經計算，光伏發電系統年用電成本為22.7萬元。
表3 光伏發電系統的綜合指標
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。工藝生產沼氣的CH4含量為45%～55%，熱值為21MJ/Nm3，為天然氣的60%。常規蒸汽鍋爐效率一般不低于93%。根據式（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行24h連續供暖，根據供暖負荷，折算蒸汽消耗量及所需消耗的沼氣量，如表4所示。經合計，沼氣消耗量為4493m3/d。另外，新建沼氣鍋爐系統，根據最大小時用汽12t/h的需求，配置3臺額定蒸發量4t/h的沼氣鍋爐及配套補水系統，根據工程經驗估算，系統初投資為300萬元。
表4 供暖沼氣消耗量計算
注：計算負荷按0.8MPa飽和蒸汽與20℃常溫水焓差并考慮0.95的蒸汽-水換熱效率進行折算；蒸汽消耗量按全天24h負荷恒定進行計算。
沼氣發電余熱利用
沼氣通過發電機組發電上網，機組尾氣通過余熱鍋爐進行二次利用，制備工藝生產所需0.8MPa飽和蒸汽，機組缸套冷卻水通過換熱器制備供暖所需循環熱水。經驗數據表明，進口沼氣發電機組發電效率可達43%，煙氣利用效率為20%，缸套冷卻水余熱利用效率為25%，即冬季熱電聯產總效率可達88%，夏季熱電聯產總效率可達63%。該項目設計沼氣量為110000Nm3/d，全部投入沼氣發電機組，按利用效率可實現的供能范圍如表5所示。
表5 沼氣發電余熱利用的可供用能
該項目沼氣發電的上網電價均價為0.45元（/kW·h）；所產蒸汽可覆蓋工藝生產所需全部用汽；所產熱水能夠承擔供暖負荷5350kW，按熱負荷指標60W/m2，可負擔建筑總面積89160m2的供暖需求。沼氣發電作為園區統籌規劃方案，不受該項目的供能結構設計影響，故沼氣發電余熱利用只需要增加余熱鍋爐及換熱系統，根據工程經驗估算，系統初投資為300萬元。
污水低品位熱能
該項目污水處理系統的設計污水處理規模為850t/d，流量能穩定在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行低品位熱能利用，夏季為空調系統提供7℃冷水，冬季為空調系統提供45℃熱水。一般水源熱泵機組制冷能效比能夠達到5.6，45℃制熱能效比能夠達到4.2，根據再生水小時流量，水源熱泵能夠承擔主生產車間、辦公區供暖及供冷負荷，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，包括熱泵機組、一二次側循環水泵、補水系統等，根據工程測算，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熱負荷恒定進行計算。
空氣源熱泵
空氣源熱泵受區域限制，嚴寒地區無法采用常規空氣源熱泵，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，經濟性差。寒冷地區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。長江中下游地區等夏熱冬冷地區適合采用空氣源熱泵進行冬季供暖和夏季制冷，單獨采用空氣源制冷機組實現夏季供冷不受區域限制。
該項目可采用空氣源熱泵單獨為生活辦公區夏季供冷，冬季通過其他方式保證項目供暖。空氣源熱泵制冷能效比不低于3.6，按照此標準計算夏季供冷能耗，如表7所示。根據工程測算，空氣源熱泵系統初投資為80萬元左右，與污水源熱泵系統初投資相當。
表7 空氣源熱泵制冷能耗計算
04.綜合能源利用經濟性分析
沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電
該項目生產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熱水。空氣源熱泵以多聯機空調系統的形式為生活辦公區夏季供冷。生產生活用電采用市政供電，傳統供能結構不使用太陽能，為與光伏發電系統統一經濟性分析口徑，根據前述確定生產生活全年用電量為1620000kW·h。該項目生產用0.8MPa飽和蒸汽由沼氣鍋爐提供，工藝生產的沼氣消耗量為17920m3/d，年用沼氣成本為725.8萬元。該項目供暖負荷為950kW，由沼氣鍋爐提供，經前述分析，供暖沼氣消耗量為4493m3/d，年用沼氣成本為60.7萬元。該項目空調負荷為430kW，年用電量為143340kW·h，市政工業用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產生活年用電量為1620000kW·h，市政工業用電電價為0.8元（/kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電的經濟性分析如表8所示。
表8 沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電的經濟性分析
沼氣發電+空氣源熱泵+市政供電
工藝生產沼氣通過沼氣發電系統發電后余熱利用，同時制備0.8MPa飽和蒸汽和供暖用循環熱水。空氣源熱泵以多聯機空調系統的形式為項目生活辦公區夏季供冷。生產生活用電采用市政供電，全年用電量為1620000kW·h。該項目生產用0.8MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發電余熱制備，蒸汽為沼氣發電的額外產品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目供暖負荷為950kW，全部利用沼氣發電余熱，熱水為沼氣發電的額外產品，相比沼氣鍋爐供汽換熱方式，該用熱方式不計成本。該項目空調負荷為430kW，年用電量為143340kW·h，市政工業用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產生活年用電量為1620000kW·h，市政工業用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣發電+空氣源熱泵+市政供電的經濟性分析如表9所示。
表9 沼氣發電+空氣源熱泵+市政供電的經濟性分析
沼氣發電+水源熱泵+太陽能
該利用方式優先使用可再生能源及工業余熱。工藝生產沼氣通過沼氣發電系統發電后余熱利用，同時制備0.8MPa飽和蒸汽和供暖用循環熱水。污水處理系統再生水通過水源熱泵同時承擔生產生活辦公區建筑冬季供暖和夏季供冷。屋頂敷設光伏發電系統補充項目用電，年發電量為1620000kW·h。該項目生產用0.8MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發電余熱制備，蒸汽為沼氣發電的額外產品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目生產區供暖負荷為735kW，全部利用沼氣發電余熱，熱水為沼氣發電的額外產品，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生產生活辦公區部分的冬季供暖和夏季供冷。
經計算，水源熱泵系統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。根據前述分析，光伏發電系統年用電成本為22.7萬元。沼氣發電+水源熱泵+太陽能的經濟性分析如表10所示。
表10 沼氣發電+水源熱泵+太陽能的經濟性分析
能源結構對比分析
從系統用能效率及經濟性來看，能源結構對比分析如表11所示。
表11 能源結構對比分析
05.結 語
經綜合比選，本項目最終采用沼氣發電+水源熱泵+太陽能的多能互補方案，可覆蓋其全部用能需求，這是一種可再生能源利用的較優組合，盡管光伏發電系統初投資較高，但其投資回收期較短（4.35年）。同時，沼氣可全部發電上網，煙氣余熱及缸套水余熱的再利用大大降低系統熱能浪費，提高整體用能效率，而水源熱泵對工藝自產再生水的二次熱能利用進一步提高工業園區綜合用能效率。
總體來看，綜合利用工藝自產沼氣、光伏發電、水源熱泵等，形成多能互補的能源結構，共同構建工業園區能源中心，是未來工業園區實現零碳排放的重要途徑，應當引起足夠重視。
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