一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法

技术领域

本发明属于可再生能源清洁供热技术领域，尤其是一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法。

背景技术

可再生能源在能源结构占比逐年增加。可再生能源主要包括浅层地能、太阳能、深层地能、污水废热等非化石能源。可再生能源建筑应用的技术类型包括：土壤源热泵技术、深层地能及尾水梯级利用技术、污水源热泵技术、太阳能光伏技术、太阳能热水技术、太阳能空调技术等。

建筑领域可再生能源使用要求在逐步提升，建筑再电气化发展也在改变建筑用能方式。城镇中的场地片区与建筑本体可以作为设置可再生能源系统的直接载体，因此在建筑供能方案阶段可以针对任意场地与建筑的可再生能源系统产能效果评估实现科学高效的建筑供能系统设计方案，构建绿色低碳的能源系统显得尤为重要。城市可用于供热的可再生能源，主要涉及：

太阳能：分布广泛、能量密度低、季节差异大，有可放置的场所，就可以发电或者集热，利用方式包括太阳能光伏、太阳能光热，也可实现光伏光热联产，同时基于太阳能，还可以拓展太阳能+热泵、太阳能+储能等方式，提高其适用性、稳定性。

深层地能：深层地能需要结合地能资源的分布情况，统筹考虑，按照深层地能分布情况，结合各地能井进行整合，有条件的区域莹优先应用深层地能及尾水梯级利用技术。

污水废热：城市污水是相对比较稳定的能源，需要结合污水干网，污水处理厂等进行统筹考虑，结合其流量、污水品质等进行利用。根据各污水处理厂、污水源热泵系统的具体规划，涉及的区域应优先使用污水源热泵技术。

浅层地能：浅层地能是适合大部分地区的一种可利用的可再生能源，主要基于其巨大的土壤蓄热能力、热稳定性，实现对供能的高效和稳定，也需要结合浅层地能能的资源条件，并根据末端的负荷需求，实现地温的平衡，有埋管区域的场所，应优先利用土壤源热泵，实现供冷供热，相应的还可以与其他设备配合，实现长期稳定的运行。

我国在北方农村地区因地制宜“宜气则气、宜电则电”的推进清洁能源供暖，清洁取暖率由9%提高到了约28%，重点地区已经达到71%。

城市供热在城市供能系统中占比较高，碳排放强度也较大，如何充分利用可再生能源，实现对集中供热的低碳化转型，显得尤为重要，目前丹麦等国家的第四代、第五代区域供热热网，已经根据建筑节能的发展，降低了供热温度，提升了可再生能源接入热网的可能性，热泵技术得到了较大规模的应用，因此，基于可再生能源资源评估，确定城市清洁供热的配置方案，对于新建建筑、既有建筑更新等都尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法，可以最大化的利用可再生能源，实现对集中供热的补充和低碳化替代，进而实现100%清洁供热。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法，包括以下步骤：

步骤1、评估区域内可利用的可再生能源种类及特点；

步骤2、计算浅层地能的最大供能能力；

步骤3、计算深层地能的最大供能能力；

步骤4、计算污水废热的最大供能能力；

步骤5、计算太阳能供能能力；

步骤6、根据浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废热的最大供能能力和太阳能供能能力进行叠加整合，得到可再生能源利用布局GIS系统。

而且，所述步骤1，对区域内可资利用的能源资源条件进行评估，根据当地可资利用的能源资源条件，筛选可用的可再生能源。

而且，所述步骤2中浅层地能的最大供能能力为土壤源热泵供能能力，并根据浅层地能服务建筑最大面积以及浅层地能服务建筑最大供能能力计算得到；

土壤源热泵的供能能力的计算方法为：

Q（排）=Q（冷）×（1+1/COP）

Q（取）=Q（热）×（1-1/COP）

Q（排/取）=排（取）热负荷×井深×井数

其中，Q（排）为土壤源热泵的排热负荷，Q（取）为土壤源热泵的取热负荷，Q（冷）为浅层地能最大供冷能力，Q（热）为浅层地能最大供热能力，COP为土壤源热泵系统的性能系数；

浅层地能服务建筑最大面积以及浅层地能服务建筑最大供能能力的具体计算方法为：

步骤2.1、将浅层地能按照服务建筑类型进行划分办公、商业、酒店、公寓和文化建筑；

步骤2.2、分别计算办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积和供热面积；

办公供冷面积=办公供冷面积系数×办公用地面积×绿地率；

办公供热面积=办公供热面积系数×办公用地面积×绿地率；

商业供冷面积=商业供冷面积系数×商业用地面积×绿地率；

商业供热面积=商业供热面积系数×商业用地面积×绿地率；

酒店供冷面积=酒店供冷面积系数×酒店用地面积×绿地率；

酒店供热面积=酒店供热面积系数×酒店用地面积×绿地率；

公寓供冷面积=公寓供冷面积系数×公寓用地面积×绿地率；

公寓供热面积=公寓供热面积系数×公寓用地面积×绿地率；

文化建筑供冷面积=文化建筑供冷面积系数×文化建筑用地面积×绿地率；

文化建筑供热面积=文化建筑供热面积系数×文化建筑用地面积×绿地率；

步骤2.3、根据办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积和供热面积计算浅层地能的最大供能能力；

浅层地能最大供冷能力=浅层地能供冷系数×（办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积之和）；

浅层地能最大供热能力=浅层地能供热系数×（办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供热面积之和）。

而且，所述步骤3中深层地能最大供能能力为尾水梯级利用供能能力，并根据深层地能服务建筑最大面积以及深层地能服务建筑最大供能能力计算得到；

尾水梯级供能能力为：

Q（取）=C×

其中，Q（取）为尾水梯级取热负荷，kWh；C为水的比热，取4.2kJ/（kg.℃），

深层地能服务建筑最大面积的具体计算方法为：

住宅供热面积=29.17×G×（

深层地能服务建筑最大供能能力的具体计算方法为：

住宅供热能力=1166.67×G×（

而且，所述步骤4中污水废热的最大供能能力为污水源热泵系统的最大供能能力，并根据污水源热泵服务的建筑最大面积以及服务建筑最大供能能力计算得到。

而且，所述污水源热泵系统的最大供能能力为：

G

夏季：C×G

冬季：C×G

其中，G

而且，所述污水废热服务的建筑最大面积的计算方法为：

办公供冷面积=办公供冷面积系数×G

办公供热面积=办公供热面积系数×G

商业供冷面积=商业供冷面积系数×G

商业供热面积=商业供热面积系数×G

酒店供冷面积=酒店供冷面积系数×G

酒店供热面积=酒店供热面积系数×G

公寓供冷面积=公寓供冷面积系数×G

公寓供热面积=公寓供热面积系数×G

其中，G

服务建筑最大供能能力的计算方法为：

污水源热泵最大供冷能力=供热系数×G

污水源热泵最大供热能力=供冷系数×G

而且，所述步骤5中太阳能供能能力的具体计算方法为：按照光伏发电效率为20%，集热效率为40%，按小倾角15°的排布方式，计算光伏光热的产出。

而且，所述步骤6的具体实现方法为：在ArcGIS平台下，将步骤1至步骤5中浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废能的最大供能能力和太阳能供能能力进行叠加整合，然后再把不具备改造可能的地块去除，最终形成区域可再生能源利用布局GIS系统，同时，在系统中还应将集中供热站点及其供热范围进行标注和收录，根据形成的系统配置区域的能源。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过计算浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废能的最大供能能力、太阳能功能能力；最后根据浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废能的最大供能能力和太阳能功能能力进行叠加整合，得到可再生能源利用布局GIS系统。通过该系统，查询每个地块的可再生能源资源禀赋及最大供热或供冷的能力，也能查询该地块采用市政供热管网，该地块有多大的太阳能的安装潜力，应当分配哪个锅炉房供热，还能查询地块属于哪个热电厂的供热范围。本发明为城市推动可再生能源规模化利用提供了可实施的规划布局及量化取值方案，可推动城市区域可再生能源的综合利用，降低城市碳排放。

2、本发明将有基于可再生能源的区域供能系统，同时也将于建筑本体的用能和产能需求耦合，从而实现建筑的节能减排，推动建筑能源转型。

3、本发明从城市能源规划、城市规划及基础设施配套等角度而言，提供了一种切实可行的方法，可与目前的国土空间综合规划，多规合一配合，实现对区域内可再生能源的综合利用

4、本发明将为清洁供暖、能源托管等城市能源规划及供应提供可行的解决方案，从城市低碳转型、建筑低碳转型角度，给出相应的规划及具体的落地实施方案，尤其是对城市集中供热的优化，将降低供热碳排放，提高可再生能源占比。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1、评估区域内可利用的可再生能源种类及特点。根据当地可资利用的能源资源条件，筛选可用的可再生能源。

步骤2、计算浅层地能的最大供能能力。浅层地能的最大供能能力为土壤源热泵供能能力，并根据浅层地能服务建筑最大面积以及浅层地能服务建筑最大供能能力得到；

土壤源热泵的供能能力的计算方法为：

Q（排）=Q（冷）×（1+1/COP）

Q（取）=Q（热）×（1-1/COP）

Q（排/取）=排（取）热负荷w/m×井深×井数

其中，COP为地热热泵系统的性能系数；

浅层地能服务建筑最大面积以及浅层地能服务建筑最大供能能力的具体计算方法为：

步骤1.1、将浅层地能按照服务建筑类型进行划分办公、商业、酒店、公寓和文化建筑；

步骤1.2、分别计算办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积和供热面积；

办公供冷面积=办公供冷面积系数×办公用地面积×绿地率；

办公供热面积=办公供热面积系数×办公用地面积×绿地率；

商业供冷面积=商业供冷面积系数×商业用地面积×绿地率；

商业供热面积=商业供热面积系数×商业用地面积×绿地率；

酒店供冷面积=酒店供冷面积系数×酒店用地面积×绿地率；

酒店供热面积=酒店供热面积系数×酒店用地面积×绿地率；

公寓供冷面积=公寓供冷面积系数×公寓用地面积×绿地率；

公寓供热面积=公寓供热面积系数×公寓用地面积×绿地率；

文化建筑供冷面积=文化建筑供冷面积系数×文化建筑用地面积×绿地率；

文化建筑供热面积=文化建筑供热面积系数×文化建筑用地面积×绿地率；

步骤2.3、根据办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积和供热面积计算浅层地能的最大供能能力；

浅层地能最大供冷能力=浅层地能供冷系数×（办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供冷面积之和）；

浅层地能最大供热能力=浅层地能供热系数×（办公、商业、酒店、公寓和文化建筑的供热面积之和）。

步骤3、计算深层地能的最大供能能力。深层地能最大供能能力为尾水梯级利用供能能力，并根据深层地能服务建筑最大面积以及深层地能服务建筑最大供能能力计算得到；

尾水梯级供能能力为：

Q（取）=C×

其中，Q（取）为尾水梯级取热负荷，

深层地能服务建筑最大面积的具体计算方法为：

住宅供热面积=29.17×G×（

深层地能服务建筑最大供能能力的具体计算方法为：

住宅供热能力=1166.67×G×（

其中，G为地能井出水流量；t为地能井出水温度。

步骤4、计算污水废能的最大供能能力。

污水废热的最大供能能力为污水源热泵系统的最大供能能力，并根据污水源热泵服务的建筑最大面积以及服务建筑最大供能能力计算得到。

污水源热泵系统的最大供能能力为：

G

夏季：C×G

冬季：C×G

其中，G

污水废热服务的建筑最大面积的计算方法为：

办公供冷面积=办公供冷面积系数×G1；

办公供热面积=办公供热面积系数×G2；

商业供冷面积=商业供冷面积系数×G1；

商业供热面积=商业供热面积系数×G2；

酒店供冷面积=酒店供冷面积系数×G1；

酒店供热面积=酒店供热面积系数×G2；

公寓供冷面积=公寓供冷面积系数×G1；

公寓供热面积=公寓供热面积系数×G2；

其中，G1为夏季污水出水流量，G2为冬季污水出水流量。

服务建筑最大供能能力的计算方法为：

污水废热最大供冷能力=供热系数×G1

污水废热最大供热能力=供冷系数×G2。

步骤5、计算太阳能功能能力。太阳能功能能力的具体计算方法为：按照光伏发电效率为20%，集热效率为40%，按小倾角15°的排布方式，就散光伏光热的产出。

步骤6、根据浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废能的最大供能能力和太阳能功能能力进行叠加整合，得到可再生能源利用布局GIS系统。

在ArcGIS平台下，步骤1至步骤4中浅层地能的最大供能能力、深层地能的最大供能能力、污水废能的最大供能能力和太阳能功能能力进行叠加整合，然后再通过人工把不具备改造可能的地块去除，最终形成中心城区可再生能源利用布局GIS系统，此外，该系统还应将集中供热站点及其供热范围进行标注，收录，通过该系统，查询每个地块的可再生能源资源禀赋及最大供热或供冷的能力，也能查询该地块采用市政供热管网，该地块有多大的太阳能的安装潜力，应当分配哪个锅炉房供热，还能查询地块属于哪个热电厂的供热范围。

根据上述一种基于可再生能源综合评估的区域清洁供热配置方法，对某地的数据进行检测，已验证本发明的优点效果：城市供热中可利用的可再生能源涉及太阳能、浅层地能、深层地能、污水源等，针对上述四种主要可再生能源进行能源资源评估，并进行能源耦合，实现区域内多种可再生能源综合利用，实现清洁供暖。

太阳能最重要的参数是太阳辐射强度，根据我国太阳能资源分区，各地区的太阳辐射强度较为清晰，根据项目已有规划或者地块位置，可以初步测算可以用于安装太阳能的面积。由于立面太阳能利用受到资源量降低、产权、管理、管路损失等，因此仅考虑屋面太阳能，在空地位置，结合之前的规划设计经验，可选取80%的地面资源作为可安装太阳能的区域。

太阳能主要涉及太阳能光伏，太阳能光热，由于太阳能光热存在季节差异较大，夏季集热多但用热需求低，冬季集热少但用热需求高的特性，测算过程中安按光伏光热联用技术进行测算，既可以获得太阳能热量，也可获得太阳能光伏发电，从而可提高单位占地面积的产出。相关研究指出，光伏光热联产技术的光伏发电效率，结合目前光伏产业发展情况，设定光伏发电效率为20%，集热效率为40%，为提升综合收益，假设按小倾角15°的排布方式，测算光伏光热的产出。

浅层地能具有分布广泛、热能储量巨大、清洁环保、经济性好、安全性强等诸多优点。以土壤作为蓄冷/蓄热体的地源热泵系统，更因其适应性广、不破坏地下水资源，被广泛的应用。

但是，地源热泵系统的应用，也需要一定的条件，一是土壤源热泵系统的室外埋管需要一定面积的用地；二是地埋管换热器与土壤进行热交换，地温平衡是保证地源热泵机组正常工作以及整套系统高效运行的关键所在，所以对于某一区域土壤，在全年时间内应既能接受建筑的排热又能接受建筑的取热，且总排热量和总取热量要经过详细的平衡计算，以保证地源热泵系统的高效运行。

综上所述，基于城市层面的应用量统计分析，浅层地能（土壤）建筑应用的边界条件设定如下：

（1）所有应用地源热泵的建筑，均处于埋管地源热泵系统适应性分区的适宜区；

（2）结合城市规划的用地布局，初步分析，可用于埋管的场地面积≥1000m

（3）由于居住建筑通常只需要采暖，集中供冷的需求较小，因此按建筑类型筛除居住建筑；

（4）由于土壤换热器需要一定的恢复才具有较小的取放热能力，因此筛除24小时使用的公共建筑。

地能资源是集热、水、矿为一体的具有复合特性的矿产资源，作为一种清洁的新能源，与传统能源相比有其都其独特的优点。

关于深层地能的应用条件有以下特点：

（1）根据地能恢复原则，深层地能及其尾水体积利用适合于单纯供热需求的居住建筑；

（2）考虑到输配能耗，服务建筑距离地能井的距离有一定的限制。

在此基础上深层地能建筑应用的边界条件如下：

（1）处于深层地能资源开发利用的适宜区；

（2）只筛选出单纯供热需求的居住建筑；

（3）筛选区域：距地能井1km的区域。

污水废能的应用主要依托于污水处理厂，由于污水废能的建筑应用本身就是一个变废为宝的过程，所以有条件应用污水源热泵系统供冷/供热的建筑一定要尽量应用。污水废能建筑应用的边界条件主要考虑建筑与污水厂的距离，应在距污水厂出水点3km的区域。

为进行建筑用能需求的统计分析，拟定各类建筑冷、热负荷指标，如表1所示。

表1 各类建筑冷、热负荷指标汇总

为统计分析土壤源热泵系统的整体应用效果，拟定相应计算基础数据，如表2所示。

表 2 土壤源热泵系统计算基础数据

土壤源热泵系统计算公式，如表 3所示。

表 3土壤源热泵系统计算公式

浅层地能的应用，通常结合绿地进行，浅层地能的服务建筑面积，如表4所示。

表4 浅层地能服务建筑面积计算结果表达

其中2.56等系数，为表1，表2，表3相关数据导入对应公式后计算得出，以2.56为例，从热源侧，土壤源热泵供冷的冷量为：70*120*[（用地面积*绿地率*0.8/25）/（1+1/4.8）=，办公建筑冷负荷指标为87W/㎡，则其可服务建筑面积为2.56*用地面积×绿地率。

浅层地能的最大供应能力，如表5所示：

表5 浅层地能最大供冷/供热能力计算结果表达

深层地能及尾水梯级利用系统计算基础数据，如表6所示。

表6 深层地能及尾水梯级利用系统计算基础数据

深层地能及尾水梯级利用系统计算公式，如表7所示。

表7 深层地能及尾水梯级利用系统计算公式

深层地能的服务建筑面积，如表8所示。

表8 深层地能服务建筑面积计算结果表达

深层地能的最大供应能力，如表9所示。

表9 深层地能最大供冷/供热能力计算结果表达

各类建筑冷、热负荷指标，如表1所示。污水源热泵系统计算基础数据，如表10所示。

表10 污水源热泵系统计算基础数据

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污水源热泵系统计算公式，如表11所示。

表11 污水源热泵系统计算公式

污水废能的服务建筑面积，如表12所示：

表12 污水废能服务建筑面积计算结果表达

污水废能的最大供应能力，如表13所示.

表13 污水废能最大供冷/供热能力计算结果表达

经过上述分析和处理，得到了3张可再生能源资源分布图：浅层地能、深层地能、污水废能资源分布图层。以区域土地细分导则数据为系统地图，将结果数据进行叠加，再考虑太阳能利用的情况，得到该地区可再生能源规划布局，并将锅炉房和热电厂的规划供热范围录入，与浅层地能、深层地能和污水源热泵的规划布局叠加，形成该地区基于可再生能源的清洁供热规划布局。

在ArcGIS平台下，基于控规成果，将具有深层地能、浅层地能、污水废能开发潜力的地块初步筛选出来，叠加并整合数据，然后再通过人工把不具备改造可能的地块去除，最终形成中心城区可再生能源利用布局GIS系统。此外，该系统还应将集中供热站点及其供热范围进行标注，收录。通过该系统，可以查询每个地块的可再生能源资源禀赋及最大供热或供冷的能力，也能查询该地块如果采用市政供热管网，该地块有多大的太阳能的安装潜力，应当由哪一座锅炉房供热，还能查询地块属于哪个热电厂的供热范围。

结合相应的节能减排目标，可以对相关供能范围、清洁供热能力等给出相应数值，结合能耗统计分析，进行对标，明确清洁供热的替代比例。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。