基于多能耦合的近零碳园区建设方案探索

通过光伏发电、微风风机、土壤源热泵与空气源热泵的创新组合,探索园区能源系统从传统燃气锅炉向清洁可再生能源的全面转型路径,为实现近零碳排放目标提供系统性解决方案2综合能源系统通过实现各种能源形式的协同优化,充分利用各能源子系统在时间和空间维度上的耦合机制,达到多能互补和能源梯级利用的目标2这种系统性方法能够显著提高能源的综合利用水平,是建设清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要实现途径2系统通过对多种能源子系统在能源生产、运输、转化和综合利用等各个环节的相互协调,实现"源—⽹—荷—储"的协同优化运行模式,从根本上提升了系统的整体效能2提升可再生能源消纳能力-通过多能互补机制增强系统灵活性满足多元化能源需求-适应不同场景的用能特征实现供需动态平衡-优化能源供给与需求匹配提高综合用能效率-降低能量损耗和系统运行成本减少污染物排放-助力实现碳达峰碳中和战略目标项目建筑总面积26,000项目建筑总面积26,000㎡,现有系统采用混合供能模式:综合楼和办公楼o安装暖气片,依靠VRV空调系统提供夏季制冷和冬季采暖;其他建筑群由燃气锅炉通过板式换热器提供冬季采暖热源,室内p端为暖气片,夏季制冷由分体空调提供。生活热水系统通过燃气锅炉配合容积式换热器为客房和厨房供应热水。全年天然气消耗成本þ150万元,运行成本较高且碳排放显著。现状挑战该园区位于基础设施相对欠缺的区域,附近o铺设天然气管道和集中供热管网。目前园区依赖2台2.45MW燃气锅炉提供建筑供暖和生活热水,天然气通过罐车运输供应,采暖季每日需运输一车,非采暖季每3天运输2车。罐车通过软管与燃气输配装置连接的方式存在显著安全隐患,能源供应的稳定性和安全性难以得到充分保障。为实现供热系统的能源低碳转型,积极响应国家关于有序开展地热及再生水源热泵替代燃气供暖的政策要求,项目计划对原有供暖和供冷系统进行全面改造升ÿ。通过引入可再生能源技术和智慧能源管理系统,实现园区绿色低碳供暖供冷目标,为区域能源转型提供⽰范。71,57026,771建筑总面积65热负荷指标W/㎡90冷负荷指标W/㎡2,409kW供冷季:5月20日至9月10日,年运行110天2礼堂、会议室主要运行时间为6:00-20:00,招待所主要运行时间为18:00-次日9:00,根据实际使用需求灵活调节2根据室外温度和室内需求进行智能调节2项目主要满足综合楼、值班室、礼堂、招待所等建筑的供暖、空调用冷以及生活热水的多元化需求,确保各类建筑功能区域的舒适性要求2综合楼供暖供冷值班室温度调节礼堂空调系统招待所全季节服务生活热水供应办公区域气候控制基于本项目负荷需求特点及资源条件的深入分析,结合未来能源系统对灵活性和智能化的要求,确定适合本项目的综合供能方案为光伏发电+微风风机+土壤源热泵+空气源热泵+蓄热储能,融合能源系统智能化调控的数字化精细管理平台2光伏发电系统微风发电补充利用建筑屋顶空间安装620块575Wp组件,装机容量356.5kWp,采用自发自安装4台2kW垂直轴风力发电机,充分利用区域风能资源,提高可再生能源综合用、余电上网模式,为园区提供清洁电力利用率空气源热泵采用地埋管换热系统,配置755kW级热泵机组,为园区提供基础冷热负荷设置4台150kW级超低温空气源热泵机组,与土壤源热泵协同运行,满足峰值负荷需求智慧能源平台建设100m³蓄热水箱,利用峰谷电价差实现能量时移,最大蓄热量5,177kWh构建综合能源管理平台,实现源网荷储协同优化,支撑系统智慧化运行系统建成后,依托智慧综合能源管理平台,通过调度自动化算法及智能化调控技术,根据不同用能需求及变化趋势,制定综合能源系统优化调度方案,实现自感知、自分析、自决策、自优化的建筑能源系统智慧化运行,全面助力近零碳园区建设目标的实现。本项目按照常规Z伏并网系统标准设计,采用自发自用、余电上网的运行模式2系统主要由太阳能电池组件(Z伏组件)、组串型逆变器、Z伏并网配电柜、监控系统等核心设备组成,形成完整的发电链条2项目充分利用建筑屋顶可用空间,规划安装620块单块功率为575Wp的高效Z伏组件,系统装机设计容量达到356.5kWp2通过Z伏组件将太阳能转换为直流电,经逆变器转换为交流电后,通过开关柜连接至园区公用PC段2冬季供暖期间,Z伏发电优Y为空气源热泵、土壤源热泵及园区生活设施供电;其他季节则主要为园区空调系统及各类生活设施提供电力支持2年平均发电量预计达到376.464MWh,25年平均等效利用小时数为1,056小时,发电效率稳定可靠2.组件数量:620块单组件功率:575Wp.装机容量:356.5kWp.年平均发电量:376.464MWh.等效利用小时:1,056h/年.系统总效率:82%首年发电量:429,500kWh初步设计采用7初步设计采用7台高效并网逆变器,将光伏组件产生的直流电转换为符合电网标准的交流电2转换后的交流电通过专用电缆接入光伏并网配电柜,就近并入园区内380V低压配电系统,确保电能高效传输和安全并网2倾角优化设计综合考虑建筑屋顶可利用面积以及保证光伏组件发电效率的前提下,光伏组件的安装和排布采取方位角沿屋顶平齐布置方式2斜屋顶光伏组件安装倾角与屋面倾角保持一致,充分利用建筑结构优势;平屋顶光伏组件则采用10°最优倾角布置,以获得最佳的太阳辐射接收角支架总体及支撑材料使用高品质热镀锌型材和不锈钢材料,具有优异的耐腐蚀性能2电池组件连接采用铝合金扣件,既牢固美观又能抵抗长期环境侵蚀2支架整体采用模块化设计理念,便于安装维护,满足25年的设计使用寿命需求2光伏发电站建成后首年发电量预计为42.95万kWh2根据光伏组件厂家提供的性能衰减数据,本项目按照首年光伏组件衰减不超过1.5%、10年累计衰减率不超过10%、25年累计衰减率不超过20%进行计算2在25年设计寿命期内,考虑组件性能的逐年衰减,年平均发电量可达37.46万kWh,为园区长期稳定提供清洁电力2该项目位于北京市密云区,属于中低温地热资源区域2根据地热资源分ÿ标准,此温度等ÿ~Vÿ,主要适用于洗浴、温室种植、养殖、农业灌溉以及采用热泵技术的制冷供热应用场景2本项目充分利用该地区浅层地热资源,采用先进的热泵技术实现冬季高效供热和夏季节能供冷2系统采用地下埋管换热器土壤源热泵技术,在地下埋设专用管道作~换热器,管道与热泵机组连接形成闭式循环回埋管布置区域浅层地埋管打井区域布置于锅炉房附近的公共绿地内,地埋管设计深度~120m,埋管间距控制在4~5m,暂定打孔数量~120个,总占地面积þ2,000㎡,土地利用集þ高效2管道中循环流动的液体介质通过与土壤的热交换,在供冷工况下将热泵机组的凝结热通过管道散入地下,实现建筑制冷;在供热工况下从大地吸取热量供给热泵机组,向建筑物提供采暖热源,实现能量的高效转移和利用2水力平衡设计~确保120根地埋管的水力平衡,杜绝地埋管系统出现不出力现象,同时考虑未来检修风险及初投资优化,设计将120个地埋管科学分配~多组2每组地埋管均采用同程连接方式并入检查井中,每组支管设置调节阀门以实现精确的水力平衡调节233管网系统集成各支路管道经分、集水器汇总后并入主管路,再经主管汇总进入机房2地埋管中水流速需严格控制在0.4~0.6m/s之间,确保地埋管内流体保持紊流流态,并通过科学设计保证系统及时排气,从而保证地埋管系统的高效换热性能2管材选择标准为保证换热系统能够长期安全稳定运行并提供充足的换热量,竖直地埋管采用高密度聚乙烯管PE100,管材公称压力为1.6MPa,外径32mm,壁厚3mm,工作温度范围-20~50℃,具有优异的耐久性和化学稳定性2水平连接管同样采用高密度聚乙烯管PE100,管材公称压力为1.0MPa,满足系统运行需求2环境影响评估地埋管换热系统为完全封闭的循环系统,系统运行过程中仅与周围土壤进行热量交换,而不发生任何水体交换,因此不会对地O水环境产生任何不利影响,符合环境保护要求,实现绿色可持续运行2本项目采用De32管径的双"U"型地埋管配置,根据当地地质条件和热物性参数,冬季每延米换热量取46W/m,夏季每延米换热量取49W/m2根据:水(地)源热泵机组》(GB19409-2013)国家标准,当制冷量大于150kW时,地埋管式水土壤源热泵机组能效比EER≥4.3,制热系数COP≥4.4;当制冷量不大于150kW03000300地埋管换热量(kW)600900热泵供能量(kW)基于以N计算结果,设计拟选用755kW级土壤源热泵机组,可充分满足园区冬季供暖和夏季供冷的基础负荷需求2该容量配置既保证了系统运行的可靠性,又实现了设备投资的经济性优化2空气源热泵通过吸收环境空气中的热量来制取热水,其输出能量与输入电能之比(COP)一般在2-6之间,平均可达3.5以N,à超传统供热设备2相比之O,普通电热水锅炉的能效比(COP)不大于0.95,燃气锅炉的能效比(COP)一般只有0.6-0.8,空气源热泵的能效优势极为显著2空气源热泵系统充分利用峰谷电价差特性,在夜间低谷电价时段以高效率运⾏ß行蓄热,将热量存储在蓄能罐中;在白天用电高峰时段再把储存在水中的热量释放出来供热2这种运行策略可以将电网高峰时段供热所需的电量转移至夜间低谷时段使用,既减轻了电网高峰负荷压力,又显著降低了运行电费成本2项目总设计热负荷为1,704kW2考虑到土壤源热泵初期投资成本较高,且为实现系统运行的灵活性和可靠性,本项目在设计时采用土壤源热泵与空气源热泵相结合的复合供能方式2土壤源热泵的设计供热能力þ755kW,承担基础热负荷;配套设置4台150kWÿ超低温空气源热泵机组,总供热能力600kW2两种热泵机组协同运行,可满足þ70%的设计热负荷,既保证了常规工况O的供热需求,又为系统提供了充足的调节裕度2这种组合配置方案兼顾了系统的技术先ß性、运行经济性和供能可靠性,为园区提供了灵活、高效、稳定的冷热供应保障2为保证极寒期的供热质量和系统运行的灵活性,本工程新建100m³大容量蓄热水罐2蓄热水罐可以实现热量的跨时段储存和释放,利用峰谷电价差优化系统运行经济性,同时作为热量缓冲装置提升供热稳定性2根据蓄热量计算公式,考虑蓄水罐进出水温差50°C、容积效率0.9、热损失附加率1.01等参数,可计算出本项目蓄热水罐的最大有效蓄热量为5,177kWh2该蓄热容量可满足极端工况下数小时的供热需求,为系统提供充足的热量储备2Qtextmax=fracCtimesVtimesrhotimesDeltaTtimeseta3600cdotK式中各参数定义:V为蓄水罐实际容积(m³);Q为蓄热量(kWh);ΔT为蓄水罐进出水温差,本项目取50°C;η为水罐的容积效率,本项目取0.9;K为热损失附加率,一般取1.01~1.05(本项目取1.01);C为水的热容量,4.183kJ/(kg·°C);ρ为水的密度,1000kg/m³2蓄热水罐的配置使系统具备了显著的削峰填谷能力,夜间利用低谷电价进行蓄热,白天释放热量减少高峰用电,既降低了运行成本,又提升了电网Û好性,实现了经济效益与社会效益的Ü为满足用户对能源舒适度、可靠性、个性化需求以及追求体验化、多样化和低成本化的诉求,项目增设屋面微风发电机组,进一步提高可再生能源的综合利用率2风力发电机根据叶片固定轴的方位,可分为水平轴和垂直轴两大类2水平轴风力发电机工作时转轴方向与风向保持一致,需要不断调整方向以对准风向;而垂直轴风力发电机转轴方向与风向成直角,无需调向即可捕捉不同方向的风能2综合对比分析,垂直轴风力发电机组具有360度全方位捕风能力、启动风速低、运行噪音小、维护方便等显著优点2因此,本⽰范性微风发电项目将垂直轴风机作为首选机型2项目拟在适宜位置安装4台单机容量2kW的垂直轴风力发电机组,总装机容量8kW2该项目风力发电系统采用自发自用模式,所发电量由企业自行消纳,不并入公体、风机控制器、配电柜、蓄电池等关键设备2风机发电后的电能首先存储于蓄电池中,经过逆变器转换输出380V标准交流电,直接为就近用电设备供电,实现了风能的高效就地转化利用2年利用小时数约2,400小时,年平均发电量可达19.2MWh,虽然发电量相对较小,但作为多能互补系统的有机组成部分,进一步丰富了园区的清洁能源供给结构2采用数字孪生、建模仿真、大数据分析等前沿技术构建综合能源系统的数智模型,全面连接综合能源系统"源—⽹—荷—储"全过程要素,建立智慧综合能源管理平台2平台通过基于在线仿真模型的系统状态监测、故障诊断、预测调控、运行优化等功能模块,借助机器智能辅助人类智能,使以智慧决策层为核心的平台系统成为区域综合能源系统运行调度的"智慧大脑"2数据采集层实时采集源侧发电设备、网侧输配管网、荷侧用能终端、储侧储能装置的运行数据,形成全面的能源数据底座,为上层应用提供数据支撑2数据处理层运用大数据分析、人工智能算法对采集的海量数据进行清洗、存储、分析和挖掘,提取有价值的运行规律和优化空间2可视化展⽰层通过友好的人机交互界面,实时展⽰系统运行状态、能效指标、经济效益等关键信息,支持运维人员的监控和管理2通信传输层采用工业以太网、物联网等通信技术,构建稳定可靠的数据传输网络,确保海量数据的实时、准确、安全传输2基于在线仿真模型和优化算法,生成面向安全、高效、经济、环保等多目标的系统优化调度方案,实现智能化决策支持2根据优化调度指令,自动控制各类能源设备的启停和出力调节,实现系统的智能基于综合能源系统的实际运行参数,平台深入分析系统运行模式的优化节能空间2通过改变能源站站内各系统设备的出力组合、供能网络的输配方式、末端用能设备的运行状态等不同参数,模拟各种可能的调节方案,并对各种调节方案的运行参数进行全面分析,最终输出系统性节能运行的最优策略2源侧优化光伏、风电、热泵等多种能源设备根据天气预测、负荷预测、电价信号等因素,动态调整出力组合,实现多能互补和经济运行2通过水力管网仿真模型,优化管网流量分配和温度控制,降低输配损耗,提高供能效率2荷侧优化根据建筑用能特性和舒适度要求,实施需求侧响应策略,引导负荷合理分布,削峰填谷2储侧优化蓄热装置根据峰谷电价和供需平衡要求,智能决策充放热时机和容量,实现能量时移和成本优化2基于综合能源系统在线仿真模型及负荷预测模型,结合智能寻优算法,区域综合能源数智大脑平台系统可输出面向安全、高效、经济、环保等多目标的系统优化调度与决策支持方案2源侧模型群源侧模型群建立光伏发电模型、小型风力发电机组模型、空气源热泵机组模型、土壤源热泵机组模型等多能流精细化计算模型,准确描述各类能源设备的运行特性和约束条件2荷侧模型群开发用户负荷模型、人员活动模型,基于历史数据和实时信息,预测不同时段、不同区域的用能需求变化趋势2平台系统支持多目标综合优化功能,可同时考虑经济性目标(最小化运行成本)、环保性目标(最小化碳排放)、安全性目标(满足供能可靠性)等,并支持运维人员自定义各目标的权重系数,根据实际管理需求灵活调整优化方向2构建水力管网输配优化模型,考虑管网阻力、温降、流量分配等因素,实现管网系统的高效运行和精准调控2储侧模型群建立蓄热装置储能调度模型,优化蓄热罐的充放热策略,充分发挥储能装置的削峰填谷和应急备用作用2平台支持建立覆盖"源—⽹—荷—储"全要素的协同优化运行策略,打破各子系统之间的壁垒,实现供需动态平衡和系统综合效益最大化,为园区能源系统的智慧化、精细化管理提供强有力的技术支撑2用户侧负荷随天气条件、季节变化、生活生产规律等多种因素影响而具有较大的波动性和不确定性2综合能源数智大脑平台根据不同供能对象的建筑类型和用能特征,大批量导入系统历史工况O的运行数据,采用先进的机器学习算法,训ÿ生成各个能源站的多机Ā出力模型及用户侧多时间尺度负荷预测模型2数据积累持续采集历史运行数据,包括气象数据、负荷数据、设备运行数据等,建立丰富的训ÿ样本库2模型训练采用神经网络、支持向量机等算法训ÿ预测模型,建立输入特征与负荷输出之间的映射关系2精准预测实现对o来不同时间尺度用能需求的精准预测,支撑综合能源系统的供需平衡和优化调度2334455特征提取识别影响负荷变化的关键因素,如温度、湿度、节假日、作息时间等,提取有效特征变量2滚动修正根据实时运行数据对模型进行持续优化和参数修正,提高模型的鲁棒性和预测精度2负荷预测模型支持运维调度人员输入设备例行性时序操作安排,例如节假日、周p及每日NO班等日程信息,以更准确地反映供能对象的实际用能行为2同时,系统提供人工修正功能,运维人员可通过修正系数进行人为校准,使预测结果更贴合实际系统运行情况2这种人机协同的方式充分发挥了机器学习的数据处理能力和人工经验的判断优势,确保负荷预测的准确性和实用性257.957.9万kWh绿色电力58.358.3年发电收益万元150150年节省燃气费万元本项目光伏并网系统建成后,年平均发电量为560.09MWh2光伏发电时间段内综合电价(考虑自用电价和上网电价的ò权平均)约为1.0128元/kWh,光伏发电年收益显著2微风风机系统建成后,总装机容量8kW,年利用小时数约2,400小时,年平均发电量为19.2MWh2光伏与风电合计全年绿色发电收益约58.326万元,为园区提供了稳定的清洁能源收入来源2项目实施前,园区年天然气消耗成本约150万元2采用多能耦合的清洁能源系统替代燃气锅炉后,完全取消了天然气的使用,每年可节省燃气费用150万元,节能降费效果显著2综合发电收益和燃料费用节省,项目年综合经济效益超过200万元,经济效益十分可观2经初步估算,本项目静态总投资约934万元,包括光伏发电系统、微风风机系统、土壤源热泵系统、空气源热泵系统、蓄热储能系统、智慧能源管理平台以及配套设施建设等全部费用2项目取消燃气锅炉系统,采用清洁高效的热泵供热系统,根据财ó评价,项目资本金内部收益率为8.2%,静态投资回收期为12.7年2考虑到能源价格上涨趋势和碳交易市场发展等因素,项目实际经济效益将更为可观,投资回收期有望进一步缩短2利用光伏及微风风机代替传统燃煤发电,利用土壤源热泵与空气源热泵系统代替燃气锅炉供热,项目能够大幅节省化石能源消耗,显著减少"三废"(废气、废水、废渣)排放,有效改善区域生态环境质量2100%3357.9可再生能源供能占比年节省天然气年产生绿电实现园区供能系统全面清洁化万Nm³天然气消耗量万kWh清洁电力根据国家温室气体排放核算方法,项目实施后每年可减少二氧化碳排放量约600吨,相当于植树造林约3.3万棵的碳汇效果2项目在25年运行周期内,累计碳减排量将达到15,000吨,为实现国家"Ü碳"战略目标做出实质性贡献2除二氧化碳外,项目还可减少二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等大气污染物的排放,改善区域空气质量2同时,取消燃气锅炉和罐车运输后,消除了潜在的安全隐患,提升了园区的安全性和环境Û好性2本项目积极响应"Ü碳"战略,以建筑节能优化为抓手,建设多种低碳能源互补以及电热协同供能的零碳建筑绿色低碳能源系统2项目的成功实施为我国北方地区的清洁取暖改造、园区绿色低碳发展提供了宝