模块二　细节设计（供能计算合理性证明）

本模块的目标是证明模块一的每一个供给数字都是算出来的，不是拍出来的。证明方法统一为“三重互校”：① 装机法（装机 × 容量因子 × 年小时）；② 资源限额法（资源断面 × 提取率 × 年小时，给出许可天花板）；③ 单机反推法（由单机额定点反解设计流速，检验参数自洽）。三种算法互不依赖，任两种重合即认为计算闭合。

2.1 地热能（基载脊梁）

2.1.1 资源量与井深论证

地温梯度 T(z) = 13 + 20z（℃/km）：5 km → 113 ℃，9 km → 193 ℃，12 km → 253 ℃。选 12 km 的理由是253 ℃ 越过双效吸收式制冷（150~180 ℃ 驱动）与多效蒸馏（≥120~130 ℃ 顶温）的门槛，使制冷与淡化的驱动热大幅下降，同时单对井井口热功率达 38.3 MW_th。

三重互校：装机法——单对井（60 kg/s）Q_th = 38.3 MW_th，年运行 8000 h（90% 可用）→ 302 GWh_th/a/对，两对合计 604 GWh_th/a；资源法——1 km³ 岩体 ΔT 30 K → 2.1×10⁴ GWh_th，按 604 GWh_th/a 仅取18% → 384 年；需求法——设计提取 109.3 GWh_th/a，足够覆盖全部机械轴功 15.6 GWh + 高品位热 0.3 GWh + 梯级热供给。

2.1.2 循环效率推导

饱和水焓熵：h(253 ℃) = 1100.2 kJ/kg、s = 2.8201 kJ/(kg·K)；h(110 ℃) = 461.3 kJ/kg、s = 1.4185 kJ/(kg·K)。Δh = 638.9 kJ/kg、Δs = 1.4016 kJ/(kg·K)，火用 e = Δh − T₀·Δs = 228.0 kJ/kg（占放热 35.7%）。闪蒸-二元循环净效率 = 35.7%（火用）× 50%（火用效率）× 80%（扣厂用）= 14.3%。

轴功对账：109.3 GWh_th × 14.3% = 15.6 GWh 轴功/a；其中 2.0 GWh 直驱冰模块制冰泵与热泵，0.3 GWh_th 高品位抽汽专供灭菌，其余轴功进工业驱动与气动管网。

2.1.3 井群余量与回注

2 对井各承担约 9% 负荷，任一对井单独运行即可顶下全部轴功（负荷 37%）——这是“N+1 冗余”的实现方式。回注 110 ℃ 防硅酸盐结垢；闭式回路（循环水而非地层卤水）+ 低硅工作流体 + 阻垢剂 + 定期酸洗；诱发地震采用逐井断层探测、限压注入与交通灯协议。

2.1.4 梯级换热

253 ℃ 抽汽 → 多效蒸馏（130 ℃ 顶温）/ 双效吸收（150~180 ℃ 驱动）/ 134 ℃ 蒸汽灭菌 → 120 ℃ 干燥 → 90 ℃ 热水温室水产养殖 → 50 ℃ 除湿再生/热泵源 → 30 ℃ 排海（海水年均 14 ℃）。

2.1.5 冰模块替代账（计算合理性）

冰模块年产淡水 138000 m³ + 冷量 12.8 GWh/a，电耗为零（轴功直驱 2.0 GWh/a）。替代关系：多效蒸馏（7.5 GWh_th）与双效吸收（3.5 GWh_th）整体退出，腾出的 11.0 GWh_th 抽汽改走闪蒸-二元循环，可增轴功 11.0 × 14.3% = 1.57 GWh/a——冰模块不仅免费供水，还反哺了轴功余额。

2.2 太阳能（日历能源）

2.2.1 屋面用光分配

2.2.2 聚光计算链（口径 GHI = 5018 MJ/(m²·a)）

屋面总辐射 1394 kWh/(m²·a) → ×0.50 直射占比 697 → ×0.92 镜面反射 641 → ×0.85 余弦/遮挡/拦截 545 → ×0.93 颗粒吸收 507 kWh/(m²·a)。对 GHI 效率 34.4%、对 DNI 68.8%。年产出 = 1.5 ha × 507 kWh/(m²·a) = 7.60 GWh_th。

三重互校：装机法——133 台 × 113 m² × 0.507 kWh/(m²·a) = 7.62 GWh_th；面积法——1.5 ha × 507 = 7.60；需求法——制氢 0.266 + 拉丝 0.9 + 工业工艺 6.43 = 7.60。三者吻合。

2.2.3 光伏与 PVT

光伏 5018 × 0.20 × 15000 m² = 4.2 GWh_e（BC 背接触，正面无栅线遮挡）；PVT 电 4.2 + 热 8.4 GWh。光伏 + PVT 合计出电 8.4 GWh_e，供需求侧 5.5 GWh_e 后余 2.9 GWh_e 进弹性层——信息层电力双冗余（光伏+ PVT 双源）。

2.2.4 长夜适应型光储链

熔盐 200 m³（290~565 ℃，0.22 GJ/m³）＋ CaO/CaCO₃ 化学储热 50 m³（600~900 ℃，1.12 GJ/m³）＋ 磷光储光（SrAl₂O₄:Eu,Dy，余辉 >12 h，材料 180 t）＋ 导光管（效率 50%~70%）。储热总量 250 m³，仅占世界体积 0.025%——地热基载消除了跨昼夜储能的必要性，整链不用电池化学。

2.3 潮汐能（弹性层主力）

2.3.1 资源断面与提取限额

断面 16 MW（吕新刚等《海洋潮流能资源的数值估算——以胶州湾口为例》，太阳能学报 2010）：断面法算式 P_断面 = Σ(½·ρ·v³·A_断面)，按功率密度 178~533 W/m² 反推过水断面约 3.0×10⁴~9.0×10⁴ m²。湾口流速2~3 m/s 处功率密度是湾内 1 m/s 处的 8~27 倍。

提取率 15%（Garrett & Cummins 上限 20%~24%）：本世界只取 15%，让出的 5~9 个百分点买流场与沉积余量（约 3 个百分点）、上下游水权（约 2 个百分点）、运维可用率（约 2 个百分点）。15% 是资源折减系数，不与机组效率重复相乘。

2.3.2 机组参数与三种算法互校

三重互校：A 装机法 7 × 8760 × 0.28 = 17.16 GWh；B 断面限额法 16 × 15% × 8760 = 21.02 GWh（许可天花板）；C 单机反推法 1 MW × 8760 × 0.28 × 7 = 17.16 GWh。A 与 C 重合证明“7 台 1 MW”无内部矛盾；B 比 A 高 22% 的 3.86 GWh 是主动留在水里的弹性余量（实际提取率仅 12.3%）。

2.3.3 负荷去向与敏感性

17.2 GWh 去向：补足机械轴功 0.4 + 百年维护再加工 4.6 + 弹性余量 12.2（不用就留在水里）。敏感性：断面流速 −20% → 年产出 −49%（17.2 → 8.8 GWh），是最脆弱参数；叶轮 Cp 0.45 → 0.40 仅 −11%——第一年实测重点必须是流速序列。

物质账：机组本体 2400 m³；机组质量 1750 t/25 a，百年净损失 700 t（回收率 0.90）。潮流是能源链中物质代价最大的一支。

2.4 风能（第三层弹性 · 新模块三替换版）

本小节采用《能源模块三·风能创新技术（细化版·体积复核）》口径。先给体积纪律：本体 10⁶ m³ 内只新增PEM 设备 40 m² + RO 设备 15 m² = 55 m²，且均布置在 B1 层原设计已有的设备空间内（EGS 井口、二元机组、储热、水处理同层）；VAWT 3020 m³、Savonius 36 m³、海底 CAES 9424 m³ 全部位于本体边界之外。

2.4.1 VAWT 计算校核

20 台 × 20 kW × 26% 容量因子 × 8760 h = 0.91 GWh/a，与全案 0.9 GWh 吻合。体积：八边形周长 1628 m，每 80 m 一台；单台风轮 π×2²×12 = 151 m³，20 台共 3020 m³ 悬挂在外边缘之外，不占本体。Sandia 国家实验室 2019 年实测 VAWT 集群尾流互相增强，出力比单机高 10%~15%。

2.4.2 Savonius 计算校核

30 台 × 300 W × 25% 容量因子 × 8760 h = 0.197 GWh/a，作夜间海陆风空窗补充。单台体积 π×0.5²×1.5 ≈ 1.2 m³，总占用树冠空间 36 m³；螺栓固定于 H=1500 m 机械树 30 条一级枝桠端点，不新增占地。

2.4.3 风电消纳计算校核

PEM 制氢：风电富余约 0.3 GWh/a → 产氢约 70 Nm³/h × 8760 h ≈ 613000 Nm³/a → Sabatier 合成 SNG 0.56 GWh_th/a（PEM 响应 5 秒、负荷调节 0~110%，可直接跟随风电分钟级波动；2025 年国产海上千方 PEM 槽直流电耗 <4.3 kWh/Nm³）。

RO 海水淡化：2500 人 × 150 L/(人·d) = 13.7 m³/d、年 5000 m³；电耗 5 kW × 26% × 8760 h = 0.0114 GWh/a，仅占风电 1.3%（RO 单耗约 3.5 kWh/m³）。

海底 CAES：4 舱（φ10 m × 30 m）共 9424 m³；储气能量 4 × 70 bar × 2356 m³ ≈ 6600 MWh_th，可用 50% × 0.5 ≈ 1650 MWh_e，满足 24 h 备用；覆盖连续 72 h 无风无光期。Huntorf 290 MW 与 McIntosh 110 MW 已商业运行 40 余年，循环效率约 50%。

体积复核结论：五项风能技术均不突破 10⁶ m³ 本体体积；内部仅 55 m² 设备占地（已有空间），外部利用边缘、树冠、海床三类免费空间。

详见模块三 §3.1 风能全量数据与直流微网拓扑 →

2.5 氢能（跨季节库存与工业物料）

2.5.1 定位：氢不作能量

电-氢-电往返效率仅 35.4%（三度电换一度电），而跨季储能需求已被地热基载消掉。氢降级为材料，只做两件事：把金属从氧化物里救回来（Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O，54.1 kg H₂/t Fe，年约 3.3 t），以及把碳搬进精细化工（CO₂ + 3H₂ → CH₃OH，年 <1 t）。

2.5.2 常态制氢核算（4 t/a）

2.5.3 理论上限应急工况

若食品人工合成从“保险”切到“常态”，2500 人 9.55 TJ/a 全部合成需约 165 t H₂/a（LHV 5.50 GWh），膜强化循环所需高温热 11.00 GWh_th/a；碟式聚光升级后最大产能 7.60 GWh_th/a，缺口收窄至 3.40 GWh_th/a，仅允许短时灾难保险使用（72 小时可启），等价占总一次能量 3.10%。

2.6 供需平衡校核（总闭合证明）

结论：供给侧毛能量远超需求侧 5.5 GWh，需求侧口径严格等于 5.5 GWh、人均 2200 kWh/(人·a)，计算闭合。机械与电可调余量合计 23.6 GWh/a（机械 20.7 ＋ 电 2.9），其中 sCO₂ 备用 3.0 GWh/a 属应急电源，常态可调余量 20.6 GWh/a；热富余 12.6 GWh_th/a。余量的结构性来源不是储能，而是三件事：井对互备（单对井容量 43.2 GWh ÷ 需求 16.0 = 2.7 倍）、三条链条并行（地热、光热、潮流互不经过对方转换环节）、两个源在世界本体之外（井筒在岩体里、潮流机组在水道里）。

2.7 工业 · 交通 · 宜居支撑（用能证明）

2.7.1 工业辅助电（1.0 GWh_e/a）

微反应器 0.1（持液量 1/1000、节能 30%~50%、4 台撬装）+ Solein 蛋白 0.76（25~30 kWh/kg 蛋白 × 年 27 t 蛋白，电到卡路里效率约 20%）+ 微波氢等离子体 0.14（还原 <0.1 s）。工业用能形态为“电 0、燃料 0”的例外仅此三处，其余全部从既有热与轴功中分配。

2.7.2 对外交通电（0.3 GWh_e/a）

低速微巴 0.06 + 电动接驳船 0.10 + 重力电梯 0.14；上限计提 0.5 GWh_e，实算 0.18，由光伏/PVT 电余量供给。另：树冠风能 0.79 GWh/a 直驱配重吊舱，足以承担全人口每日约一万次层间通行所需的 0.017 GWh/a，余量三十倍以上——机械功直接吊装，不占电配额。

2.7.3 宜居（被动式建筑）

居住舱按 Passivhaus 被动式建筑标准：围护加厚 + 三层 Low-E 玻璃，采暖能耗降 90%、室内 20~25 ℃ 恒温，采暖需求由 50 ℃ 地热梯级热水直接换热，不计电耗；热水 1.7、炊事 0.5、干燥 2.0 GWh_th 由平板/PVT 中低温热供给（余 12.6 GWh_th）。