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作者：周毅 蘇硯平 單位：億利資源集團有限公司
氣象資料
七星湖沙漠風景區位于北緯39°50'、東經108°44'，海拔在1040～1360m之間。屬典型的中溫帶大陸性氣候，四季分明。氣候特點為：夏季炎熱短促，春秋氣溫變化劇烈，冬季漫長寒冷。年平均氣溫3～8.7℃，一年中最冷月在1月份，極端氣溫為-32.1℃。最熱月在7月份，最高極端氣溫為36.5～38.7℃。年日照時間2716～3194h，全年太陽總輻射量約139.4～143kcal/cm。
1光能資源七星湖旅游區位于北緯39°50'、東經108°44'。屬我國太陽能資源二類區域(見圖1)，屬于太陽能資源較好地區，適宜建太陽能光伏電站。
2電力系統配置該酒店總計算容量為4083kW，變壓器裝機容量為5700kVA，由供電部門提供兩路獨立的10kV電源。該工程設2個變電所(1#、2#變電所)。1#變電所位于裙樓地下1層，內設10kV高壓開關柜11臺；1250kVA10/0.4kV配電變壓器2臺，低壓開關柜14臺。2#變電所位于主樓的地下1層，內設10kV負荷開關柜2臺；1600kVA10/0.4kV變壓器2臺；低壓開關柜22臺。其中1#變電所供裙樓及能源中心的動力及照明用電。2#變電所供主樓、四季生態園廳的動力及照明用電。[1]說明：市政電力裝機容量是按照酒店滿負荷正常運行進行配置，沒有減掉可再生能源負荷，原因是光伏發電、BIPV屬于不穩定電源，當滿足350～420V電壓并網條件時才并網發電，不滿足時不并網發電，需靠傳統市政電力供電。
3可再生電源技術分析
1可再生電源技術方案分析該工程是可再生電源綜合利用的示范項目，可再生電源總裝機容量409.17kW，占酒店電力總容量的10%。可再生電源分為三部分：①地面光伏電站，裝機容量2996kW；②光伏建筑一體化(BIPV)，裝機容量121kW；③風光互補發電，裝機容量是100kW。地面光伏電站電力供該酒店后勤及公共區域照明用電，BIPV電力供四季生態廳用電，風光互補發電用于景區路燈照明。地面光伏電站分為離網電站和并網電站，并網電站又分為用戶側并網和輸送側并網，本光伏電站是用戶側并網系統。原因如下：根據七星湖景區氣候及項目特點，沙漠地區風沙較大，對本就壽命較短的蓄電池而言更縮短了其使用壽命(光伏電站鉛酸蓄電池壽命一般在3～5年)；另外，酒店項目日間基本用電負荷遠大于光伏發電量，光伏電站電力可以完全利用；所以不采用蓄電池蓄電，光伏電站發出的電力直接并入酒店變電室配電柜供給末端用電設備是比較合理的。[3]光伏建筑一體化系統(BIPV)需與建筑美觀有效的結合，即達到發電效果，又不影響建筑美觀。該BIPV系統采用發電玻璃形式，安裝在四季生態廳玻璃幕墻上，與普通玻璃間隔安裝，形成一道美麗的玻璃幕墻風景。BIPV系統本著所發電力就地使用原則，直接并入四季廳配電室的配電柜母線上給四季廳供電。七星湖景區路燈照明分布范圍廣，縱深有十幾公里，采用風光互補路燈照明不僅解決了布線等問題，而且當一個路燈故障時不影響其他路燈使用，非常適合電力資源落后的七星湖景區使用。
2節能量
2.1年發電量光伏電站年發電量=裝機容量×年峰值日照小時數×光伏電站總效率×0.1==684萬kW•h。
2.2換算節能量少用1kW•h電量相當于節省0.376kg標煤，減排0.997kg二氧化碳，所以該項目可再生電源年節省2480t標煤，年減排646.45t二氧化碳。
4運行注意事項及風險防范措施可再生電源占酒店總電力負荷的10%，光伏電力電壓在350～420V波動時對酒店側電網電壓影響很小，對末端用電設備的影響可忽略不計，所以光伏電力電壓在這個范圍內并網發電，否則斷開由市政電力供電。光伏系統中逆變器所需交流電由酒店配電柜送出，與酒店市政供電是一路電源，當市政供電因檢修等問題拉閘停電時，逆變器也立即斷電，光伏電力所發直流電不經逆變器轉交流電，直流電直接接地；所以市政供電停電時，光伏電站電力不會向酒店配電室供交流電，避免出現電力傷人事故。七星湖地區風力較大，需要定期清洗組件表面灰塵，以提高組件效率。七星湖地區夏季溫度較高，沙子表面溫度可達60℃，冬季溫度較低，夜間可達-30℃；而電站配電控制房內的逆變器、配電柜、工作電腦等控制設備所需運行環境應符合供電機房環境溫濕度要求，所以電站配電控制房保溫防水措施需做好，并且需配備一定的制冷采暖設施。該電站配電控制房圍護結構加厚了保溫材料，并且配備了分體式空調和電采暖設施。BIPV發電玻璃安裝在玻璃幕墻上，對發電玻璃的安裝提出了較高要求，要求發電玻璃間不能采用卡槽連接，必須封膠連接。冬季運行時，需及時清理玻璃表面的霜凍和冷凝水，以提高發電效率和避免電氣接線盒線路浸水。
5問題光伏電站輸送距離越大，電壓損失就越大，所以光伏電站距離用戶越近越好，該電站輸送電壓350～420V，所以輸送距離控制在300m內比較理想，對于電壓相位等影響可忽略不計。該電站距離酒店配電室450m，所以輸送壓降稍大，但不會影響正常運行。該地面電站為了在運行中實際比較光伏組件發電效率，采用了兩個廠家的產品和逆變設備，但這兩個廠家逆變器操作軟件互不兼容，所以，開發了一款新的兼容軟件，新軟件效果如何還需實際運行驗證。因四季生態廳對日照的要求，所以，BIPV薄膜發電玻璃是20%透光率玻璃，從而降低了薄膜玻璃發電效率。
復合式可再生能源在冷熱源上的應用
1冷熱負荷基礎數據
空調總冷負荷2267kW，其中客房區467kW，公共區1006kW，娛樂區794kW。空調總熱負荷4167kW，其中客房區856kW，公共區1906kW，娛樂區1405kW。廚房、汽車庫等通風冷負荷165kW，熱負荷1792kW。生活熱水最大日用量約120m3，計算最大小時加熱量1222kW。廚房蒸汽耗量為240kg/h，洗衣房蒸汽耗量為1060kg/h。[1]
2冷熱源技術方案
3臺水源熱泵機組+1套太陽能集熱裝置+2臺熱水鍋爐+1臺蒸汽鍋爐。項目地處庫布齊沙漠，地廣人稀，太陽能和地熱能非常豐富。在距離項目地約1km處有一口溫泉水井，勘測數據顯示，井深2505m，井水溫度常年穩定在52℃左右，該井自然出水量40m3/h，機械抽水量可達到100m3/h，酒店泡池、SPA等最大需求量為40m3/h，余下60m3/h供熱泵機組取熱。由于溫泉水機械出水量基本一定，為充分利用其熱量，采用了板換串聯，熱能梯級利用的方式。第一級溫泉水通過板換換熱，給第一臺水源機組提供熱量之后，水溫從45℃降到26℃，此溫度的水仍含有大量可供利用的熱能，故將此溫度的水再次供第二級水源熱泵機組取熱，經過再次換熱之后溫泉水溫降低到10℃，剩余熱量用來預熱冬季鍋爐的給水。[4]冬季工況下，由于溫泉水的梯度利用，2臺水源熱泵機組輸入的熱量不同，機組的產熱量也就不同。第一級機組產熱量為1710kW，第二級機組產熱量為1449kW。夏季工況下，機組可供冷量均為1410kW。七星湖風沙天氣多，氣溫變化大，采用常規的冷卻塔散熱存在諸多不利之處，故采用了淺層地下井水換熱冷卻的方式。勘察數據顯示，夏季淺水井水溫較低，約為12℃左右，在保證水源熱泵機組的正常工作的前提下盡可能降低冷凝器的進水溫度和進出水溫差來提高機組的制冷效率，冷卻水進出水溫取22/29℃，回灌井水溫度約26℃。第三臺熱泵機組補充剩余熱量1008kW，第三臺熱泵機組開啟條件是冬季地下水水溫高于8℃時開啟，否則剩余熱量開啟熱水鍋爐補熱。[2]酒店生活熱水所需熱量由太陽能集熱系統提供，采用了熱管型集熱器集熱系統，充分利用了免費太陽能，夏季熱水溫度可達80℃，冬季熱水溫度也可達60℃左右，遇陰雨天，溫度過低時則開啟熱水鍋爐補熱。基地夏季氣候比較干燥，空氣焓值不高，濕球溫度低，廚房、汽車庫等通風的冷負荷通過高壓微霧降溫的方式解決，以節約能耗；而冬季室外新風先通過地埋方式進行前期預熱，再通過高溫循環熱水(供回水溫為88℃/68℃)進行保障預熱。對于部分冷負荷較小的房間，采用冷輻射吊頂的方式降溫，以充分利用各溫度梯度水的熱能。2臺2.8MW的常壓熱水鍋爐滿足新風預熱、地采暖熱水的供應，以及生活熱水、空調熱水的補充供應。1臺1.5T的蒸汽鍋爐滿足日常洗衣房和廚房的蒸汽供應。#p#分頁標題#e#
3高溫地熱水井資源分析[4]
1地熱水井熱資源分析現場的勘測數據顯示，溫泉井井深約2505m，為連通地下河道的活水井，所以穩定的溫泉水供應是有保障的，項目使用中需長期監測井壁結構、井周圍地質以及溫泉水水質的變化情況，以保證正常取水。
2溫泉水井水溫測試圖2顯示，該井井底溫度73℃，全井段地溫梯度為2.71℃/100m，其中0.0～1650.0m為2.65℃/100m，1650～2489.05m平均為2.84℃/100m。對溫泉井進行了穩定流抽水試驗，抽水試驗段為1650～25050m，并在抽水前對井孔進孔深探測和水頭測量。測出水井的出水量與降深的關系，見表2。測試溫泉井出水溫度為52℃，普查區屬于中低溫地熱田。熱儲層能利用儲量按100年計算。根據全國儲發辦【1996】51號文要求“依據地熱井抽水試驗資料用內插法(最大水位降深以不大于20m為宜)，初步確定地熱井可開采量”。根據抽水試驗資料，當該地熱井降深20.99m時，出水量7484m3/d(31.035m3/h)，以此作為該地熱井的可開采量，并據此計算放熱量。按此出水量開采100年，出水溫度52℃，所排放的總量Qw=36500•Q•ρw•Cw(tw-t0)=199×1012(kJ)，則本井100年可利用熱資源量為199×1012kJ，可利用的地熱能非常可觀。
4酒店冷熱負荷分析
1酒店逐時冷熱負荷計算使用負荷計算軟件對項目的空調冷熱負荷進行全年8760h的逐時冷熱負荷進行統計分析，負荷變化情況見圖3。曲線圖顯示，冷負荷7月～8月份達到高峰，熱負荷12月～2月份達到高峰，空調制熱期較長，過渡季節冷熱負荷均較小。
2空調全年負荷動態計算對項目的空調冷熱負荷進行全年動態計算，全年單日制冷制熱需求的變化見圖4、5。曲線圖顯示，累計日冷負荷7月初～8月中旬達到高峰，累計日熱負荷12月中旬～3月初達到高峰。供冷期主要集中在6～9月，供熱期集中在12～3月，過渡季節(4、5、10、11月)冷熱負荷均較小。根據項目的特點，按使用功能不同分成3個部分：客房區、公共區和娛樂區。按可能的空調運行期負荷做有價值的數據比較分析，設計時間分類如下：客房區：供冷期4月～11月，供熱期10～5月，單天供冷、供暖運行時間24h。公共區：供冷期4月～11月，供熱期10～5月，單天供冷運行12h，供暖運行24h。娛樂區：供冷期4月～11月，供熱期10～5月，單天供冷運行16h，供暖運行24h。空調運行期累計總冷負荷5280338kW•h，累計總熱負荷2212947kW•h，總熱負荷約為冷負荷的41.9%(見圖6、7)。
太陽能集熱分析
1酒店生活熱水需求分析根據設計單位提供數據，該酒店最大日用水量1207m3/d，最大小時用水量19.92m3/h。
2集熱技術方案該酒店采用了熱管型集熱器，計算集熱面積1868m2。為了不影響建筑美觀，集熱器布置在酒店平屋頂，1000m2，即實際安裝熱管集熱器面積1000m2，實際產60℃的熱水64m3。[5]經實際測量，夏季日照天氣，該系統集熱水箱溫度可達85℃，陰雨天氣集熱水箱溫度可達60℃左右。冬季日照天氣集熱水箱理論計算可達60℃以上，陰雪天氣溫度過低時需熱水鍋爐補熱。因考慮建筑美觀，集熱管實際安裝面積小于計算集熱面積，所以集熱系統(見圖8)機房儲熱水箱采用了1個40m3的集熱水箱和1個80m3的恒溫水箱，將2個儲熱水箱儲滿熱水，可保證生活熱水正常使用。當出現極端情況，當天夜間120m3的生活熱水全部用完，第二天白天生活用水量仍較大，生活熱水制備速度小于使用速度時，則開啟熱水鍋爐補熱。
6可再生冷熱源節能量
冷熱源系統節能量可分為兩部分，一部分是水源熱泵系統節能量，一部分是太陽能集熱系統節能量。根據七星湖地區沒有燃氣，不能燒煤的情況，傳統冷熱源只能采用電制冷冷水機組+燃油鍋爐，所以水源熱泵系統可在此基礎上進行節能比較。從表3、4可以看出，水源熱泵系統合計耗能1235t標煤，傳統的電冷水機組+燃油鍋爐耗能3119.50t標煤，所以該項目采用水源熱泵系統年節省18850t標煤，年減排4996.93t二氧化碳。太陽能集熱系統年節能量2456664MJ，折算成標煤為256.58t，計算公式如下：ΔQsave=AcJT(1-ηc)ηcd式中：ΔQsave為太陽能熱水系統的節能量，MJ；Ac為太陽能集熱器面積，可安裝熱管真空管集熱器1000m2；JT為當地緯度傾角平面年總輻照量，6561.603MJ/(m•2a)；ηcd為太陽集熱器的年平均效率，熱管真空管集熱器46.8%；ηc為管路和水箱的熱損失率，20%。太陽能集熱系統年節省256.58t標煤，年減排680.34t二氧化碳。該項目可再生冷熱源節能量總計為：年節省2141.08t標煤，年減排5677.27t二氧化碳。
7可再生冷熱源綜合利用運行分析
7.1運行策略
7.1.1制熱工況運行策略圖4顯示，一年運行周期內，總制熱期較長，從9月持續到次年5月，且各月熱量需求差別大。冬季高負荷期的12月～3月份，制熱工況運行下，假設冷凝溫度不變，提高蒸發器供水溫度，將有效提高機組綜合制熱性能，所以土壤溫度較低的冬季優先運行水源熱泵機組，并按第一、二級順序開啟主機，熱量不足、淺層水水溫8℃以上時開啟第三臺水源熱泵機組。在極端條件下，由于溫泉水井供水溫度下降或者淺層水溫度不足8℃帶來的機組制熱量不足，則通過熱水鍋爐補充。冷熱負荷均較小的過渡季節，從圖3來看，4、5、10、11月份，運行第三臺水源熱泵機組基本能夠滿足制冷需要，第一級水源熱泵機組制熱工況運行，可滿足制熱的需要。夏季和過度季生活熱水均由太陽能集熱系統提供；冬季不足的熱量采用熱水鍋爐補充。鍋爐開啟時間為12月～3月，將滿足整個空調系統新風預熱和地采暖供熱以及生活熱水與空調制熱不足的熱量需求。
7.1.2制冷工況運行策略圖5顯示，最大冷負荷出現在每年的7月和8月，并且沙漠地區日夜溫差較大，夜間冷負荷大概是日間的50%左右，所以，7月、8月日間開啟2臺水源熱泵機組供冷，夜間及其他供冷時期開啟1臺水源熱泵機組即可。第三臺水源熱泵機組給四季生態廳供冷。水源熱泵機組采用淺水井冷卻散熱，為了延長井的使用壽命和保持水溫恒定，所以運行中抽水井和回灌井每年替換使用一次。
7.2風險及防范措施溫泉水中氯離子含量較高，腐蝕性較大，所以該工程在溫泉水輸送儲存材質上有較高的要求。目前溫泉水室外輸送管道采用玻璃鋼管，室內輸送管道采用襯塑鋼管，儲熱水箱采用不銹鋼316L。另外，溫泉水總硬度較大，比較容易結垢，所以運行中需定期加藥除垢，避免阻塞管道。該工程溫泉水井采用一抽二灌，七星湖地區地下壓力較大，需加壓回灌，運行中要時刻注意回灌泵壓力和回灌量，壓力小回灌量不夠，壓力大回灌水不能及時擴散。#p#分頁標題#e#
7.3問題因采用了大量可再生冷熱源，又是雙管制系統，所以冷熱系統非常復雜，對自控系統要求較高，給運行人員增加了操作困難，但確實節能降耗。夏季和過渡季陰雨天連續時間較長時，則需開啟鍋爐補熱。而此時若不需第三臺水源熱泵機組制冷時，完全可由其提供生活熱水，應給第三臺水源熱泵機組加個旁路在夏季和過渡季供生活熱水。第一口溫泉回灌井距離抽水井較近，只有30m，雖然前期經有關單位專家進行了技術論證，地下徑流速度為1m/d，但有可能會降低抽水井水溫，而從影響熱源熱量。
智能化弱電系統與能源系統結合應用探討
該酒店能源系統非常復雜，即有傳統能源，又有可再生能源，運行中各種能源間的相互轉化關系、優先級別、控制方式、節能模式等需根據酒店能源需求進行調節。若人工手動調節，則只能在固定運行模式下機械調節，不能達到按需供給、實時調節的效果，所以需通過智能化弱電系統對能源系統進行控制及調節。該項目上，中科院上海高等研究院提出了“三網互融、五能合一”的應用，“三網”即：微電網、微熱網、物聯網，“五能”即：產能、供能、儲能、用能、節能，“三網五能”是該項目智能化弱電系統的核心內容，對能源系統最終的節能效果起著決定性作用。[6]樓控系統是“三網五能”順利實施的基礎條件，該酒店樓控系統有1845個采集監控點，將各能源系統和酒店各區域主要參數指標采集，經后臺軟件分析處理后，自動調節能源系統中各機電設備運行狀態，根據終端實際用能產能供能。從某一種能源產能開始，到終端設備用能，能源利用的各個階段都有節能措施，從而有效地優先利用可再生能源，降低酒店能耗。拿太陽能集熱系統舉例：集熱管吸收免費的太陽能熱量，產生熱能(產能)，加熱集熱器上端集熱箱中的水，熱水經管道(保溫增厚，熱損降低)流入機房集熱水箱內(供能)，集熱水箱儲存高溫熱水(儲能)供酒店使用，生活熱水從集熱水箱經管道(保溫增厚)流入終端設備，終端設備采用節水龍頭(用能)。從熱水能源這個利用來看，各階段均有相應的節能措施，所以從能源產生的源頭就開始節能降耗，體現了“五能合一”的理念。此外，該酒店在“三網互融”方面也有體現，酒店電網包括：地面光伏發電、BIPV發電、風光互補發電、市政供電(區內5萬V變電站)及自備發電機組，這就構成了酒店區的區域電網，酒店熱網包括：溫泉水熱、太陽能集熱、水源熱泵系統提供熱量、鍋爐熱力，這也構成了酒店區的區域熱網。有了這些基礎的硬件設備，通過后臺電腦軟件，得知終端電力和熱力需求，然后根據按需供給原則，通過物聯網從微電網和微熱網中提取能源，優先利用可再生能源，按需供給，實時調節，最大限度降低建筑能耗，減少二氧化碳排放。智能化弱電系統是能源系統科學運行的“神經系統”，智能化系統運行好壞，直接影響該酒店節能效果好壞，所以如何提高智能化系統與能源系統結合應用，是下一步重點研究的問題。
結語
七星湖景區地熱能、太陽能資源比較豐富，所以該酒店能源系統因地制宜，采用這些可再生能源提供部分電力和冷熱源是切實可行的；同時，應用這些可再生能源降低了酒店能耗，減少了二氧化碳排放量，節能減排實際效果顯著。但在實際運行中，還需不斷摸索運行經驗，積累運行數據，科學操作智能化管理系統，經過幾個運行周期，才能使酒店能源系統達到最佳的節能減排效果。