洛宁新城区综合能源规划分析

洛宁新城区综合能源规划分析

邵伟

中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院  河南省郑州市

【摘要】 在碳中和战略发展的今天，合理利用能源来高质量发展，对建设低碳新城及生态城市有着重要意义。通过对新城区各种能源禀赋进行分析，明确了可利用的技术有：光伏发电、常规冷机、蓄冷蓄热、燃气锅炉、地源热泵和水源热泵。结合新城区位特点，因地制宜采用合适的能源技术来设置能源站。并对投资规模进行测算，为新区的能源发展提供思路。

【关键词】 能源规划；能源站；光伏；热泵

世界能源转型已经由起步阶段向加速期过渡，全球能源和工业体系快速重构。在新城区建设中应充分考虑新区所处地理和气候分区以及城市发展定位，通过提高建筑节能设计标准，采用高能源转化效率的用能设备设施，提高新城区域的用能效率；同时结合地理区位特点和气候环境，因地制宜地采用适宜的能源技术。

1、新城区总体概况

洛宁新城区位于洛宁县洛河南岸，外部交通联系主要有郑卢高速公路、洛书大桥、伶伦大桥以及仓颉大桥。项目用地范围东至明珠四路，南至宜故路，西至长虹路，北至洛河，是洛宁县以洛河为轴线，跨河沿两岸对应发展的重要举措。新城区用地面积约为5000亩，建筑面积约523万平方米，前期阶段采用指标法估算冷热总负荷，暂按各地块接入率100%考虑。公建地块总面积约189万平，住宅地块总面积约为334万平。公建地块空调冷指标取110W/m2，空调热指标取80W/m2。住宅地块采暖热指标取30W/m2。由此计算总冷负荷约为207MW，总热负荷约为252MW。新城现无集中供冷供热措施，也无接引外来冷热源条件。

2、能源资源分析

温湿度条件：洛阳市洛宁县位于寒冷地区，年平均气温14.7℃，冬季空气调节室外温度-5.1℃，冬季空气调节室外相对湿度59%，夏季空气调节室外干球温度35.4℃，夏季空气调节室外湿球温度26.9℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温-15.0℃，年降水量600~800毫米。全年同时有供冷和供热需求，需要供冷时间约 4 ~5个月，供暖时间约4 ~5个月。年平均结霜天数约150天。

日照条件：洛宁县年日照约2217.6小时，每平方米面积上一年接受的太阳辐射总量约为5056MJ，相当于172kg标准煤燃烧所发出的热量，属于太阳能资源III类可利用地区，可结合经济性，适当采用太阳能光伏技术。

风力条件：风能资源年变化规律一般是冬天、春季节较好，夏、秋较差，3-4月为最高值，8-9月为最低值。洛宁区域属于风能可利用III区，年可利用风能50~150W/m2，3~20m/s风速的年累积小时数在2000~3000h。本地区均为住宅及商业用地，用地面积紧张，风力利用难度较大。

电力条件：河南省整体电价偏低，一般工商业及其它用电1~10千伏的电价为 0.6105元/kWh，35~110千伏的电价为 0.5955元/kWh，110千伏的电价为 0.5805元/kWh，220千伏及以上的电价为 0.57255元/kWh，适合利用电制冷、制热设备。与此同时，可申请峰谷电价，峰平谷电价比为1.64:1:0.41，峰谷电价比约为4.0，可考虑蓄冷蓄热系统。

燃气条件：洛宁新城区新宁大道已敷设中压燃气管路，洛宁城区天然气为液化气气化后注入管道供应，故洛宁区域燃气价格较高。洛宁商业燃气价约为4.0元每立方，居民用燃气价约为3.5元每立方。考虑到天然气热值较高，在资金允许的情况下可考虑使用燃气锅炉调峰。由于燃气热电冷三联供投资成本较高（约1100元每平方）且每标准立方米燃气价格与每千瓦时电价之比高于4.0，燃气三联供可利用性较差。

地热资源：洛宁地区属于洛阳坳陷地热亚区，古近系单一结构热储类型。浅层地层地温随深度增加而增大，100m埋深处地温为18℃～20℃，300m深地温22℃～29℃。中深层地温与地质情况密切相关，洛宁地区古近系热储资源埋藏较深，恒温带以下洛阳坳陷地温梯度一般3.0℃/100m。1000m处地温约为40℃～58℃，2000m处地温约为71~76℃，3000m处地温约为98.9℃～109.3℃。本区域控制性地热井参数为1500m处地下水温约为60℃，涌水量约为20m3/h，矿化度9.61。本区域地热具备开采潜力，可考虑利用地热资源。

河水资源：洛宁新城项目濒临洛河，洛河年可利用量约为2.64亿m3，河水平均水流量约为30136m3/h。根据既有资料，洛河7-10月份为丰水期，流量约占全年60%，1-3月份为枯水期，流量约为全年10%。夏季平均流量约为50000m3/h，冬季平均流量约为10000m3/h。根据江水源热泵取水水源周平均最大温升不超过1度，周平均最大温降不超过2度的情况来测算，河水可担负冷负荷约为58MW，可担负热负荷为23MW。可结合项目面积，适当利用河水资源。

生物质资源：洛宁主产优质小麦、玉米、大豆等农产品，常年粮食作物播种面积110.7万亩，总秸秆可利用量约52.7万吨。利用生物秸秆发电可以大量减少SO

2排放，秸秆中的硫含量为0.08%~0.25%左右，相当于燃煤含量的10%左右。然而洛宁县洛河北岸已有24MW生物质电厂一座，与新城区距离小于30公里，年消耗秸秆25万吨，年发电量1.5亿kWh。既有生物质电厂区域30公里内生物质资源约12万吨，不足电厂使用，仍需从更远区域进行调配。综合考虑洛宁剩余秸秆资源量、运输储放条件并结合新城区地理区位来看，生物质资源较难利用。

污水资源：污水水温夏季约20度，冬季约15度，是优良的低温余热源。新城占地约5000亩，建筑面积约523万平方米，规划污水处理厂一座，污水规模约1.8万m3/天，可提供热负荷约5MW，冷负荷约6.5MW。污水源较为优质，但可供能较小，可结合项目面积，适当利用污水资源。

3、能源技术方案适用性分析

能源技术方案有空气源热泵、风力发电、燃气三联供、生物质、光伏发电、常规冷机、蓄冷蓄热、燃气锅炉、地源热泵、水源热泵等。结合新城区能源资源禀赋，空气源热泵、风力发电、燃气三联供、生物质等适用性较差。空气源热泵能效比较低且冬季易结霜，本区域年结霜期约150天，空气能不适用。风能发电占地面积较大，不适用。燃气三联供由于建设及燃气成本较高，燃气三联供不适用于本区域；生物质本区域剩余存量资源较少，运输储放较难，生物质不适用。

其他能源技术方案，如光伏发电、常规冷机、蓄冷蓄热、燃气锅炉、地源热泵、水源热泵等可用于本区域。光伏发电可在各区域屋面分散设置予以利用；常规冷机及地下水源热泵可结合蓄冷蓄热设集中能源站为片区提供冷热源；地源热泵占地面积较大，需要结合可用打井的绿地为区域提供冷热源；河水源热泵及污水源热泵均有担负冷热负荷上限，需考虑区域位置就近利用；燃气锅炉不适于大规模应用，但考虑到热值较高，可用于局部区域或调峰。

4、能源站技术方案

根据《区域供冷供热系统技术规程（T/CECS 666-2020）》4.3.3，能源站的供能范围及规模应根据建设条件和供能形式确定，宜符合下列要求：（1）接入能源站的建筑类型、建筑功能宜多样；（2）单个能源站供能规模宜＜200 万㎡建筑面积：（3）供能半径应根据供能面积、建筑类型、建筑容积率、初投资、运行费用等，经技术经济比较确定，宜小于1.5km，容积率大于5.0时可增加供冷半径至2.0km。

新城区考虑建设次序及用能特点，考虑分3期建设并规划设置4座中央能源站，同时因地制宜设置若干区域能源站。一期拟担负区域用地面积为1060亩，地上建筑面积约95万平方米，公建地上建筑面积约46万平方米，住宅地上建筑面积约49万平方米。二期拟担负区域用地面积为1380亩，地上建筑面积约150万平方米，公建地上建筑面积约50万平方米，住宅地上建筑面积约100万平方米。三期拟担负区域用地面积为2560亩，地上建筑面积约278万平方米，公建地上建筑面积约93万平方米，住宅地上建筑面积约185万平方米。

通过对水（地）源热泵系统、光伏发电等的适宜条件进行对比分析，并综合考虑新城能源资源条件，确定新城的能源方案为：（1）考虑一期位于洛河上游，设中央能源站一座，能源站采用河水源热泵为主，补充冷却塔及地下水源热泵并结合蓄热蓄冷满足一期冷热需求。同时考虑一期附近规划学校较多，利用校园操场空地采用地源热泵，设两座区域能源站。（2）二期设中央能源站一座，中央能源站采用冷塔加冷水机组结合蓄冷提供冷源，地下水源热泵加调峰燃气锅炉结合蓄热提供热源。（3）三期设中央能源站两座，中央能源站采用冷塔加冷水机组结合蓄冷提供冷源，地下水源热泵加调峰燃气锅炉结合蓄热提供热源。考虑到三期附近规划有污水厂一座，在污水厂附近设置区域能源站采用污水源热泵。（4）新城区按区域因地制宜，在屋面设置分散式光伏发电。

通过合理规划各能源站覆盖范围，新城区域共设置7 座能源站，结合用地布局规划及建设条件，合理布置能源站位置。按照选址方案，各能源站供能规模小于150万㎡，供能半径小于1.5公里。能源站分布图如下：

各能源站容量如下表：

5、供能管网

各区域能源站通过主管互相连通，互为备用。供水管网设计为两管制，异程式管网。供能管网在区域能源系统覆盖范围内各地块的适当位置预留分支接口，供后期地块内换热站接入，在地块用地红线与道路红线之间设置关断阀门，并设置阀门井。其他应急工况下，能源站互为备用，供能管网的连通管阀门开启，供能主管成环状，通过调节温差或流速，提高供能管网的供应能力和可靠性。

一期市政供回水管网主要沿新宁大道、黄钟路、姑洗路、夹钟路、洛川南路、伶伦路敷设。二期市政供回水管网主要沿新宁大道、虹宁路敷设。三期市政供回水管网主要沿新宁大道、明珠一路、明珠二路、明珠三路敷设。

能源站出水温度暂定为冬季供回水为50-35度，夏季供回水温度为4-12度。一期管网供回水管径为DN800，二期管网供回水管径为DN900，三期管网供回水管径为DN900。市政管网入各地块后，通过热交换站为地块提供冷热水。

6、项目投资规模

经测算，一期能源工程总造价约为40130万。二期能源工程总造价约为49500万。三期能源工程总造价约为91960万。三期总造价181590万。

7、结论

经上述分析，新城区可设置集中能源站，采用冷塔加常规冷机结合蓄冷提供冷源，地下水源热泵结合蓄热提供热源，来担负片区的冷热负荷需求。在大片绿地区域、河水上游及污水处理厂附近，可采用河水源热泵、地源热泵及污水源热泵设置区域能源站，为区域提供冷热源。同时，各能源站可设置燃气锅炉，在冬季极端天气下，开启燃气锅炉进行调峰供暖。各种能源的有效利用将帮助新城区节省运营成本和投资，具较大的经济价值；同时有助于承担绿色低碳发展的社会责任，具有一定的社会价值，并将有效提升新城区品质价值。

参考文献：

[1]闫坤坤. 燃气三联供耦合地源热泵供冷供热[J]. 建筑工程技术与设计,2021

(17):394.

[2]韩君. 浅谈河水源热泵在山西太原市应用的展望[J]. 山西建筑,2011,37(9):133

-134.