2022年7月，住房和城乡建设部联合国家发展和改革委员会发布《城乡建设领域碳达峰实施方案》，该方案提出，要优化城市建设用能结构，推进建筑太阳能光伏一体化建设，推动既有公共建筑屋顶加装太阳能光伏系统，加快智能光伏应用推广，在太阳能资源较丰富地区及有稳定热水需求的建筑中，积极推广太阳能光热建筑应用，同时因地制宜推进地热能、生物质能应用，推广空气源等各类电动热泵技术。
在这样的大背景下，工业园区积极向零碳园区发展，优化工业园区能源供应方案尤为必要。本文以北京市某静脉产业园为例，从园区可利用的能源类型出发，对光伏发电、空气源热泵、水源热泵、沼气发电、沼气锅炉等能源利用形式进行分析，确定合理的供能方案，形成以可再生清洁能源、可利用工业余热为主的清洁能源结构，为发展零碳园区奠定技术基础。
01.项目概况
某厨余垃圾处理项目位于该静脉产业园，以处理厨余垃圾为主，配套建设污水处理系统及厌氧发酵产沼系统。该园区有已建成的垃圾焚烧厂，可直接为该项目提供蒸汽。该项目主要有4座单体建筑，其基本信息如表1所示。经合计，项目占地面积为10120.52m2，建筑面积为16145.62m2。
园区可自供能源有该项目邻厂焚烧中心蒸汽、生产工艺自产沼气、污水处理系统自产再生水；可利用的可再生能源有太阳能、空气能等。其中，污水处理系统设计污水处理量为850m3/d，平均处理量为35.4m3/h；园区规划可利用沼气量为110000Nm3/d，平均小时沼气量为4583Nm3/h，光伏板可规划利用屋顶面积为6000m2。
表1 单体建筑基本信息
02.用能需求分析
工艺生产用汽
厨余垃圾处理中，工艺生产采用气压0.8MPa的饱和蒸汽，最大用汽量为10t/h，其中除油工艺8t/h，脱氨工艺2t/h；全天总用汽量为128t/d，其中除油工艺80t/d，脱氨工艺48t/d。
建筑空调用热用冷
各单体建筑空调能耗包括冬季供暖和夏季供冷两部分。供暖及供冷负荷均按指标估算确定，如表2所示。经合计，计算负荷总量为1380kW。
表2 建筑空调用热用冷负荷估算
生产生活用电
该项目为工业项目，光伏发电量可作为自用电完全消纳。为便于对比分析能源效率及用能成本，以光伏发电系统计算的可发电量为项目用电量，其余用电均为市政用电，不计入对比分析范围。沼气用能方案分析需要统一口径，沼气规划方案为全部发电上网，故将沼气发电上网收益损失作为沼气使用成本。
03.能源利用效率分析
光伏发电
该项目光伏板可利用屋顶面积为6000m2，光伏发电效率一般可达21%，即按照额定光照强度1000W/m2，额定发电量为210W/m2，光伏系统总装机容量为1260kW，建筑光伏系统投资市场平均成本为4.5元/W。根据我国太阳能资源分布情况，北京市全年辐射量不少于5800MJ/（m2·a），按发电效率21%计算，考虑0.8的折减系数，该光伏系统单位面积的全年发电量为270kW·h/m2，全年最低发电总量为1620000kW·h。北京市工业用电价格为0.8元（/kW·h），相比市政用电，该光伏系统年节约用电成本129.6万元。光伏发电系统的各性能指标及经济指标如表3所示。光伏发电系统设计使用年限为25年，经计算，光伏发电系统年用电成本为22.7万元。
表3 光伏发电系统的综合指标
沼气锅炉利用
该项目可利用沼气总量为110000m3/d，平均小时可利用沼气量为4583m3/h。工艺生产沼气的CH4含量为45%～55%，热值为21MJ/Nm3，为天然气的60%。常规蒸汽锅炉效率一般不低于93%。根据式（1），可计算每蒸吨蒸汽所需消耗的沼气量。
式中：L为每蒸吨蒸汽所需沼气量，Nm3/t；h1为气压0.8MPa的饱和蒸汽焓值，取2773kJ/kg；h2为20℃常温水焓值，取83kJ/kg；qz为沼气热值，取21MJ/Nm3；ε为沼气锅炉效率，取93%。
经计算，每蒸吨气压0.8MPa的饱和蒸汽消耗沼气140m3，该工艺全天所需蒸汽量为128t/d，则对应的沼气量为17920m3/d。供能方案中，全部采用蒸汽换热提供热水进行24h连续供暖，根据供暖负荷，折算蒸汽消耗量及所需消耗的沼气量，如表4所示。经合计，沼气消耗量为4493m3/d。另外，新建沼气锅炉系统，根据最大小时用汽12t/h的需求，配置3台额定蒸发量4t/h的沼气锅炉及配套补水系统，根据工程经验估算，系统初投资为300万元。
表4 供暖沼气消耗量计算
注：计算负荷按0.8MPa饱和蒸汽与20℃常温水焓差并考虑0.95的蒸汽-水换热效率进行折算；蒸汽消耗量按全天24h负荷恒定进行计算。
沼气发电余热利用
沼气通过发电机组发电上网，机组尾气通过余热锅炉进行二次利用，制备工艺生产所需0.8MPa饱和蒸汽，机组缸套冷却水通过换热器制备供暖所需循环热水。经验数据表明，进口沼气发电机组发电效率可达43%，烟气利用效率为20%，缸套冷却水余热利用效率为25%，即冬季热电联产总效率可达88%，夏季热电联产总效率可达63%。该项目设计沼气量为110000Nm3/d，全部投入沼气发电机组，按利用效率可实现的供能范围如表5所示。
表5 沼气发电余热利用的可供用能
该项目沼气发电的上网电价均价为0.45元（/kW·h）；所产蒸汽可覆盖工艺生产所需全部用汽；所产热水能够承担供暖负荷5350kW，按热负荷指标60W/m2，可负担建筑总面积89160m2的供暖需求。沼气发电作为园区统筹规划方案，不受该项目的供能结构设计影响，故沼气发电余热利用只需要增加余热锅炉及换热系统，根据工程经验估算，系统初投资为300万元。
污水低品位热能
该项目污水处理系统的设计污水处理规模为850t/d，流量能稳定在800t/d，平均小时污水流量为33.3t/h。再生水对外输送时冬季能够维持在20℃，夏季能够维持在25℃以上。再生水可通过水源热泵进行低品位热能利用，夏季为空调系统提供7℃冷水，冬季为空调系统提供45℃热水。一般水源热泵机组制冷能效比能够达到5.6，45℃制热能效比能够达到4.2，根据再生水小时流量，水源热泵能够承担主生产车间、办公区供暖及供冷负荷，水源热泵耗电量如表6所示。该项目需要新建污水源热泵系统，包括热泵机组、一二次侧循环水泵、补水系统等，根据工程测算，初投资为100万元左右。
表6 污水源热泵耗电量计算
注：为简化估算，日耗电量按全天24h热负荷恒定进行计算。
空气源热泵
空气源热泵受区域限制，严寒地区无法采用常规空气源热泵，气温-20℃以下热泵性能衰减至少60%，与采用纯电力供暖的能耗基本等效，经济性差。寒冷地区空气源热泵需要定期除霜，热泵性能衰减40%，能效比接近2.0。长江中下游地区等夏热冬冷地区适合采用空气源热泵进行冬季供暖和夏季制冷，单独采用空气源制冷机组实现夏季供冷不受区域限制。
该项目可采用空气源热泵单独为生活办公区夏季供冷，冬季通过其他方式保证项目供暖。空气源热泵制冷能效比不低于3.6，按照此标准计算夏季供冷能耗，如表7所示。根据工程测算，空气源热泵系统初投资为80万元左右，与污水源热泵系统初投资相当。
表7 空气源热泵制冷能耗计算
04.综合能源利用经济性分析
沼气锅炉+空气源热泵+市政供电
该项目生产的沼气通过沼气锅炉制备0.8MPa饱和蒸汽供工艺使用，部分蒸汽通过汽水换热制备热水，为建筑供暖提供循环热水。空气源热泵以多联机空调系统的形式为生活办公区夏季供冷。生产生活用电采用市政供电，传统供能结构不使用太阳能，为与光伏发电系统统一经济性分析口径，根据前述确定生产生活全年用电量为1620000kW·h。该项目生产用0.8MPa饱和蒸汽由沼气锅炉提供，工艺生产的沼气消耗量为17920m3/d，年用沼气成本为725.8万元。该项目供暖负荷为950kW，由沼气锅炉提供，经前述分析，供暖沼气消耗量为4493m3/d，年用沼气成本为60.7万元。该项目空调负荷为430kW，年用电量为143340kW·h，市政工业用电电价为0.8元/（kW·h），年用电成本为11.5万元。该项目生产生活年用电量为1620000kW·h，市政工业用电电价为0.8元（/kW·h），年用电成本为129.6万元。沼气锅炉+空气源热泵+市政供电的经济性分析如表8所示。
表8 沼气锅炉+空气源热泵+市政供电的经济性分析
沼气发电+空气源热泵+市政供电
工艺生产沼气通过沼气发电系统发电后余热利用，同时制备0.8MPa饱和蒸汽和供暖用循环热水。空气源热泵以多联机空调系统的形式为项目生活办公区夏季供冷。生产生活用电采用市政供电，全年用电量为1620000kW·h。该项目生产用0.8MPa饱和蒸汽全部通过沼气发电余热制备，蒸汽为沼气发电的额外产品，相比沼气锅炉供汽方式，该供汽方式不计成本。该项目供暖负荷为950kW，全部利用沼气发电余热，热水为沼气发电的额外产品，相比沼气锅炉供汽换热方式，该用热方式不计成本。该项目空调负荷为430kW，年用电量为143340kW·h，市政工业用电电价为0.8元/（kW·h），年用电成本为11.5万元。该项目生产生活年用电量为1620000kW·h，市政工业用电电价为0.8元/（kW·h），年用电成本为129.6万元。沼气发电+空气源热泵+市政供电的经济性分析如表9所示。
表9 沼气发电+空气源热泵+市政供电的经济性分析
沼气发电+水源热泵+太阳能
该利用方式优先使用可再生能源及工业余热。工艺生产沼气通过沼气发电系统发电后余热利用，同时制备0.8MPa饱和蒸汽和供暖用循环热水。污水处理系统再生水通过水源热泵同时承担生产生活办公区建筑冬季供暖和夏季供冷。屋顶敷设光伏发电系统补充项目用电，年发电量为1620000kW·h。该项目生产用0.8MPa饱和蒸汽全部通过沼气发电余热制备，蒸汽为沼气发电的额外产品，相比沼气锅炉供汽方式，该供汽方式不计成本。该项目生产区供暖负荷为735kW，全部利用沼气发电余热，热水为沼气发电的额外产品，相比沼气锅炉供汽换热方式，该用热方式不计成本。该项目用水源热泵承担生产生活办公区部分的冬季供暖和夏季供冷。
经计算，水源热泵系统的供暖年用电成本为11.8万元，供冷年用电成本为7.4万元。根据前述分析，光伏发电系统年用电成本为22.7万元。沼气发电+水源热泵+太阳能的经济性分析如表10所示。
表10 沼气发电+水源热泵+太阳能的经济性分析
能源结构对比分析
从系统用能效率及经济性来看，能源结构对比分析如表11所示。
表11 能源结构对比分析
05.结 语
经综合比选，本项目最终采用沼气发电+水源热泵+太阳能的多能互补方案，可覆盖其全部用能需求，这是一种可再生能源利用的较优组合，尽管光伏发电系统初投资较高，但其投资回收期较短（4.35年）。同时，沼气可全部发电上网，烟气余热及缸套水余热的再利用大大降低系统热能浪费，提高整体用能效率，而水源热泵对工艺自产再生水的二次热能利用进一步提高工业园区综合用能效率。
总体来看，综合利用工艺自产沼气、光伏发电、水源热泵等，形成多能互补的能源结构，共同构建工业园区能源中心，是未来工业园区实现零碳排放的重要途径，应当引起足够重视。
