中深层地热综合零碳能源实践中国建筑西北设计研究院有限公司杨春方2023年3月·天津目录1.项目概况2.能源方案3.零碳能源目标实现项目共规划6个功能区（2个市政配套）I区占地面积：7.47万m2。用地性质：工业用地。建筑形态：工程设计、检验检测办公楼和中试、加工厂房。II区占地面积：7.7万m2。用地性质：工业用地。建筑形态：实验办公楼。III区占地面积：18.25万m2。用地性质：工业用地。建筑形态：研发办公、加工检测办公楼。IV区占地面积：9.75万m2。用地性质：商务(办公)、住宅用地。建筑形态：住宅和商务公寓楼。V区占地面积：12.15万m2。用地性质：商务(办公)用地。建筑形态：研发办公及企业展示多层、高层办公楼。VI区占地面积：6.8万m2。用地性质：商务(办公)、商业用地。建筑形态：酒店、会议、会展、综合服务、商务办公以及商业配套。项目概况规划总建筑面积87.2万㎡，其中地上建筑面积62.3万㎡新河湿地新河湿地污水处理厂污水处理厂公交车站公交车站高速公路绿化带高速公路绿化带一次能源电元/kWh峰价平价谷价均价8:00～11:3018:30～23:007:00～8:0011:30～18:0023:00～7:000.88240.60370.32500.5天然气元/m³2.04（集中供暖）氢气元/kg30~80（工业副氢）市政热源电厂余热资源较远，就近(12公里)有一燃气热力站供热能力2x116MW燃气锅炉。地热资源渭河盆地地热资源丰富，国家及地方政策支持，本次作为主要供热热源。其他资源污水处理厂:污水日处理量：2万m³/d。氢能:园区内有氢能研究示范企业。太阳能资源：光伏全年发电量可观。工艺余热：实现能量梯级利用。周边环境与能源资源浅层地热—可再生中深层地热—可再生西安空气能—可再生太阳能—可再生污水余热利用实现零碳的途径实现零碳的途径①污水余温热能利用②污泥热电联产③太阳能光伏发电④原水碳源捕集⑤低能耗污水处理工艺高能耗高能耗高排放高排放低品位低品位低能耗低能耗低排放低排放可持续可持续转变转变传统污水处理传统污水处理零碳污水处理零碳污水处理①②③污泥热电联产太阳能光伏发电污水处理厂占地面积大，为太阳能光伏发电技术的应用提供了先决条件。通过外加高浓度有机食品废物(餐厨垃圾)方式与污泥厌氧共消化，产生高浓度甲烷进行热电联产污水余热能约占总废热排放量的15%~40%。可用于周边或厂内的供冷供热等，以“碳交易”方式折算可抵消部分污水处理碳排放。园区利用—市政污水处理厂④依托无人公交环线形成智慧交通骨架，建设1处智慧交通管理中心，对园区进行监测。应用5G+无人驾驶技术和理念，在园区建立智慧公交驿站和无人驾驶示范区，打造智慧、高效的公共出行服务。现有规划H2提供氢源和加氢站提供氢源和加氢站打造首个氢能公交和加氢站氢能政策支持国内已有23省市区发布氢能规划和指导意见①2019.2-《禅城区新能源公交车推广应用和公交充电设施建设财政补贴资金管理实施细则》。②2019.8-《关于进一步推进公交优先发展战略实施的决定》。③2020.3-国家发展改革委、工信部、中宣部、财政部、商务部等23个部门联合印发了《关于促进消费扩容提质加快形成强大国内市场的实施意见》。④2021.6-《青浦区支持氢能产业发展激发“青氢”绿色动能实施办法》。⑤2021.10-《关于佛山市南海区新能源（氢能）市政、物流车辆推广应用实施方案（2021-2024年）的通知》。⑥2021.11-《关于支持本市燃料电池汽车产业发展若干政策》。⑦2022.1按照《综合运输服务“十四五”发展规划》有关工作安排，交通运输部、公安部、商务部决定在“十四五”期持续开展城市绿色货运配送示范创建工作，并建立有效的支持政策体系。园区利用—市政公交车（厂）02能源方案设计范围负荷模拟能源模式概述可再生资源项目需求和范围基本需求拓展供需1）园区内全部集中供热；2）园区内部分集中供冷（除公寓）。1）污水处理厂需：建筑供热（冷）+污水工艺供热；供：太阳能光伏+氢能生产、储存+生物质供热+蓄能（冷热电）。2）公交车站需：建筑供热（冷）+公交充氢（站）；供：太阳能光伏+地源储能。3）园区供太阳能光伏+加氢燃气（工艺、生污水处理厂公交车站热负荷需求用户冷、热负荷需求用户拓展能源需求用户园区现有界限利用区域能源分析计算软件进行能耗模拟计算。该模型对不同性质的建筑分别建立了时间指派。负荷模拟时间指派时间指派建筑信息室内设计参数室内设计参数05000100001500020000250003000011月15日11月25日12月5日12月15日12月25日1月4日1月14日1月24日2月3日2月13日2月23日3月5日3月15日热负荷（kW）热负荷曲线0100002000030000400005月15日5月25日6月4日6月14日6月24日7月4日7月14日7月24日8月3日8月13日8月23日9月2日9月12日冷负荷（kW）冷负荷曲线创新生态城负荷统计总建筑面积（万m2）87.2地上建筑面积（万m2）62.3热负荷峰值（MW）25.3单位热指标（W/m2）40.1冷负荷峰值（MW）37.4单位冷指标（W/m2）59.3热负荷峰值（MW）25.3冷负荷峰值（MW）37.4能源模式概述太阳能光伏城市电网电能电解槽燃料电池氢气制氢站天然气管网市政燃气天然气餐饮垃圾生物质污水处理厂生物质锅炉锅炉/冷机工业电用户冷热用户餐饮业氢能公交需求能源来源地下地下屋顶屋顶中深层井中深层井1#能源方案概述消防水池消防水池消防水池消防水池消防水池H2浅层井浅层井中深层井中深层井太阳能光伏板（仅屋顶）太阳能光伏板（屋顶和1/3立面）市电能源站点污水源热泵H2制氢生物质公交车站光伏发电并网光伏发电并网光伏发电并网光伏发电并网市电市电光伏发电并网光伏发电并网站内设备其他：电制冷冷机电锅炉集中蓄冷、热提供氢源提供氢源中深层热泵中深层热泵供热供热供冷供冷空气源热泵空气源热泵电锅炉电锅炉空气源热泵空气源热泵电制冷冷机电制冷冷机用户用户污水源热泵污水源热泵浅层地源热泵浅层地源热泵氢燃料电池污水处理厂污水处理厂公交车站公交车站提供氢能建筑冷热光伏场地稳定氢用户制氢、储氢场地光伏场地建筑冷热工艺冷热生物质能场地能源站能源站可再生资源--地热资源地热能分类←地源热泵地源热泵换热型中深层地热能、地岩热（无干扰地热能）换热型中深层地热能、地岩热（无干扰地热能）20℃1#中深层井中深层井中深层井中深层井2#浅层井本项目拟采用两种地热井：浅层换热井和中深层地热地埋井地热能用于供冷供热对比类型优势劣势浅层井兼顾供冷、供热占地面积大、要避免冷热失衡中深层水热井成本低、供热能力强、出水温度高要确保满足回灌、审批难度大中深层换热井取热不取水、供热能力稳定成本相对较高井深2500m，单口换热量420kW井深2500m，单口换热量420kW井深200m，单口换热量5kW可再生资源--污水源余热利用2#2#能源站内设置污水源热泵系统，利用污水处理余热为园区供冷、供热污水余热利用工况季节污水供水温度污水回水温度夏季15℃30℃冬季15℃5℃最大污水处理量20000m³/天最大供热量：4MW最大供冷量：6MW污水处理厂小区污水（原生）排放水（二级）电力（输入）污泥（输出）地热和氢能余热（过渡季和夏季）污泥供热（冬季）污水源供热、供冷（冬季和夏季）“低碳”拓展可再生资源--空气能利用空气源热泵适用地区分为四类：①低温结霜区（西安）②轻霜区③一般结霜区④重霜区优势缺点①高效节能②冬夏共用③无需安装冷却塔④绿色环保、安全可靠⑤运行的附加费用少①受环境影响大②除霜问题③空气的热容量小、制热慢。本项目1#能源站所在建筑屋面上设置空气源热泵一期商业办公建筑、兼具冷热负荷需求，且面积价值高，利用空气源热泵机组可以承担调峰功能的同时节约站房面积。1#空气源热泵可再生资源--氢燃料电池2#污水处理厂场地开阔具备制氢、储氢条件，拟在2#设置氢燃料电池制氢储氢场地远期近期装机容量MW耗氢量万m³发电量万kWh制热量万kWh1.626262262削峰填谷--集中、分布式蓄能自主专利技术：一种基于消防水池的组合式蓄冷系统1#2#拟在2#设置集中蓄能水池，用于电锅炉蓄热及制冷机蓄冷，同时利用分散在各地块的消防水池蓄冷集中蓄能水池消防水池消防水池消防水池消防水池消防水池消防水池组合式蓄冷原理屋面的50%面积铺设光伏组件；污水处理厂、公交场站设置太阳能光伏组件用于光伏发电。太阳能光伏板可再生资源--太阳能光伏系统1.光伏发电板参数2.全年发电量现有拓展类型屋顶污水厂公交车站可铺设面积(㎡)30000200008000全年发电量(万kWh)588392156合计(万kWh)5885480500,0001,000,0001,500,000123456789101112发电量kWh屋顶全年逐月发电量020,00040,00060,000123456789101112发电量kWh立面全年逐月发电量类型组件功率Wp尺寸mmmm多晶硅2601600x99003零碳目标实现方案技术对比运行对比项目效益对比方案技术对比1、零碳方案2、低碳方案3、中深层供热方案边界：园区+污水厂+公交车站边界：园区+污水厂边界：园区供热：氢燃料电池污水源热泵浅层地源热泵中深层热泵空气源热泵电锅炉+蓄能供冷：污水源热泵浅层地源热泵磁悬浮冷机消防水池集中分散蓄能太阳能光伏发电、制氢、储氢供热：污水源热泵浅层地源热泵中深层热泵空气源热泵电锅炉+蓄能供冷：污水源热泵浅层地源热泵磁悬浮冷机消防水池集中分散蓄能太阳能光伏发电供热：中深层热泵电锅炉+蓄能供冷：电制冷机组常规蓄冷无050001000015000200002500030000热负荷（kW）热负荷曲线电锅炉风冷热泵中深层热泵浅层地源热泵污水源氢能0500010000150002000025000300003500040000热负荷（kW）冷负荷曲线风冷热泵蓄冷电制冷-冷机电制冷-热泵污水源浅层地源热泵运行模式供热设备配置类型热量MW类型污水源热泵4.0处理水量2万m³/天浅层地源热泵3.0浅层井600口中深层热泵8.8中深层井22口风冷热泵2.0电锅炉5.6蓄热削峰2.0MW供冷设备配置类型热量MW类型浅层地源热泵3.6浅层井600口污水源热泵6.0处理水量2万m³/天热泵制冷8.0热泵+冷却塔电制冷机13蓄冷削峰6.0MW空气源热泵1.6能耗排放计算项目单位供热供冷全年能耗万kWh25702710耗电量万kWh683631耗氢量万Nm³00直接碳排放t00总碳排放t57705330太阳能全年发电量万kWH969氢燃料电池发电量万kWH0净碳排放t2301碳排放水平g/㎡·年3.7（低碳排放）运行对比1、零碳方案2、低碳方案3、中深层供热方案负荷曲线可再生能源占比供暖期制冷期供暖期制冷期供暖期制冷期>95%>60%>95%>60%>95%无项目效益对比分类项目零碳方案低碳方案中深层供热方案投资投资范围能源站+光伏+氢能源站+光伏能源站能源站将污水处理厂、公交场站纳入零碳能源将污水处理厂纳入零碳能源全部采用地热能供热初投资-不含光伏（亿元）1.431.531.81光伏投资（亿元）0.740.640氢燃料电池系统初投资（亿元）0.3700合计（亿元）2.54（比中深层地热方案增加13%投资）2.172.24运行能源类型电、氢电电能源消耗与制取耗电、热量（万kWh）耗电量：1380耗氢量：170m³（750万kWh电制取）发电量：230耗电量：1314耗电量：1377能源站运行能源费用（万元）707671704碳排使用场地内绿电（万kWh）14109700单位面积碳排放（g/㎡·年）（3）0零碳3.7低碳14.8碳交易效益（万元）（4）（以10g/㎡·年碳排放为基准）45.9万元34.4万元0效益静态回收期估算11.49.513.2示范效益1、地热能综合利用2、集中、分布式蓄能系统3、污水余热利用示范4、太阳能利用示范5、氢能综合利用6、零碳园区示范7、零碳污水处理厂8、城镇零碳模式试点1、地热能综合利用2、集中、分布式蓄能系统3、污水余热利用示范4、太阳能利用示范5、低碳园区示范1、地热能综合利用感谢聆听