淺層地熱能資源供熱制冷的節能減排效益分析

■ 張 博/余振國/白雪華/張超宇

（中國國土資源經濟研究院，北京 101149）

淺層地熱能資源供熱制冷的節能減排效益分析

■ 張 博/余振國/白雪華/張超宇

（中國國土資源經濟研究院，北京 101149）

我國淺層地溫能資源豐富，其開發利用具有巨大的潛力，利用淺層地熱能替代常規能源用于城市建筑的供暖和制冷能夠有效地緩解城市生活能源使用的緊張狀況。與普通供暖制冷方式相比較，地源熱泵系統的初期建設投資費用較高，運行費用則相對偏低，具有一定的投資風險，但節能效果顯著，替代常規能源的同時減少了大氣污染物和溫室氣體的排放。在開發利用淺層地溫能的過程中，為避免其帶來的風險，應制定相應的風險管理和控制措施，保障淺層地熱能得到科學、合理和有效地開發利用。

淺層地熱能資源；供熱；制冷；節能減排；效益

0 前言

隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱與制冷已成為普遍現象，在發達國家中供熱和制冷的能耗占到社會總能耗的25%-30%[1]。我國的能源結構仍主要依靠礦物燃料。礦物燃料燃燒產生的大量SO2等有害氣體及CO2等溫室氣體，由礦物燃料引起的環境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。大力發展清潔、環保型能源，是“珍惜地球資源，轉變發展方式”，應對供暖制冷對能源的巨大需求和社會環保要求的必然選擇。

淺層地熱能資源作為地熱資源的一部分，具有良好的地質環境條件、溫度調節能力和開發利用優勢，是目前建筑物供暖制冷的理想清潔能源。此外，淺層地熱能資源還可在農業水產養殖、溫室栽培等多個領域得到廣泛的應用。我國大部分地區都普遍賦存淺層地溫能資源，但是目前開發利用淺層地熱能資源的地區主要集中在遼寧、河北等少數地區，開發利用的規模也較小，很多地區并沒有意識到淺層地熱能資源的開發利用所帶來的巨大的社會、經濟和環境效益。

1 淺層地熱能資源開發利用的節能減排效益

1.1 淺層地熱能開發費用分析

淺層地熱能開發利用工程費用主要由場地勘察、設計、施工、熱泵系統建設、技術、設備、自動控制系統、淺層地熱能動態遠程監測網絡系統等構成。

場地勘察、設計部分費用一般包括工程測量、巖土工程勘察、巖土工程設計與檢測監測、水文地質勘察、工程水文氣象勘察、工程物探、室內試驗等工作費用。作為參考勘察設計費用一般不超過工程投資的30%。

熱源部分（熱泵系統）初期投資估算和系統運行維護投資估算，按冬季采暖120天，夏季制冷90天，以公建每天運行16小時，人員1人/0.5萬m2。地埋管地源熱泵系統初期投資包括埋管、熱泵、泵房建設、末端自動控制系統和遠程監測網絡系統的建設投資，地下水地源熱泵系統初期投資包括成井、熱泵、泵房建設、末端自動控制系統和遠程監測網絡系統建設投資，一般面積越大，初投資越小，面積越小，初投資越大，地埋管地源熱泵系統初期投資略高于地下水地源熱泵系統初期投資。全年運行費用包括電費、人員費、資源費、維護費、管理費，其中夏季費用通常為冬季的2/3。

工程建設其他費用包括基本預備費和建設期貸款利息，參照《市政工程投資估算編制辦法》計取。預備費按照上述兩類費用之和的15%計列。

1.2 淺層地熱能開發利用的節能效益

淺層地熱能開發利用作為可再生能源利用的一種，其開發利用不僅能獲得一定的經濟收入，而且能夠節約能源消耗、資源可循環利用。因此，其經濟利益并不單純是指開發利用所獲得的經濟收入，而應該是與常規能源利用相比所具有的經濟價值。

根據這一定義可以將淺層地溫資源開發利用帶來的經濟效益理解為淺層地熱能利用的資源價值與開發、建設、運行和維護淺層地熱能系統工程所投入的資源總量（人力資源、物力資源、財力資源）之比[2]。這一結果的好壞不僅決定淺層地熱能熱泵系統工程能否開展、是否有開發利用價值，而且很大程度上體現了淺層地熱能開發利用工程中管理組織生產、運用科學知識的能力和水平。

因此，在計算淺層地熱能的經濟價值時，通常采用類比常規能源(燃煤)的方法進行折算[3]，計算公式如下：

式中：V——熱資源價值(元)；

Qi——地下水式地源熱泵系統和地埋管式地源熱泵系統可采熱資源量(kJ)；

m——熱能有效利用率（按80%）；

q——熱量（7000kcal/kg）；

h——鍋爐熱效率（80%）；

p——燃煤價格（元/t）；

δ——淺層地熱能可利用系數（經驗確定淺層地熱能可利用系數為30%）。

參考一些地區淺層地熱能資源的實際利用情況，測算出建設1萬平方米公建項目利用地源熱泵、燃煤鍋爐+冷水機組和電鍋爐+冷水機組三種方式供暖制冷的投資運行費用和能耗情況，地源熱泵系統比燃煤鍋爐+冷水機組節能45%以上，比電鍋爐+冷水機組節能75%以上[3]，見下表。此外，在節約常規能源消耗的同時，有效減緩了城市的熱島效應，消除空調外掛機的使用和產生的噪音，有效改善城市居民的居住環境。

1.3 淺層地熱能開發利用的減排效益

淺層地熱能開發利用所帶來的環境效益是開發淺層地熱能資源替代了常規能源（用標準煤表示），減少常規能源的消耗，從而降低常規能源產生的大氣污染物（煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等）的排放。

表1 10000m2公用建筑全年供暖制冷的費用對比

根據測算，1萬平方米公用建筑用淺層地熱能資源開發用于冬季供暖，可減少二氧化碳排放350-400噸；減少二氧化硫排放2-4噸；減少氮氧化物排放0.9-1.2噸；減少粉塵排放1.0-1.5噸[3]。可見，淺層地熱能資源的開發利用不僅能緩解城市供熱使用常規能源的緊缺狀況，還可以在很大程度上改善空氣環境質量，開發可利用淺層地熱能資源量越大，帶來的環境效益越顯著。

2 淺層地熱能資源開發利用優勢與風險分析

2.1 優勢

根據調查結果統計、計算，地下水地源熱泵系統初始投資約為250-320元/m2，地埋管地源熱泵系統初始投資約為320-458元/m2，城市集中供熱管網初始投資費用為公建220元/m2、民建180元/m2左右[3]。因此，與供熱管網投資相比，地源熱泵系統初期投資高出約1-3倍。根據一些地區提供的資料，電力和市政供熱項目投資回收期一般在12-15年，地熱能開發利用項目約為20年。但是與常規燃煤供暖系統相比，淺層地熱能開發項目節能約40%至60%，制冷系統節約電能10%-50%（分體空調10%，冷水機組50%左右），運行費用降低30%至70%，在近幾年，煤、石油、天然氣等能源價格持續增長的市場環境下，集中供熱的運行費用和能源消耗大幅增加，相比之下淺層地熱能利用優勢凸顯，有助于增加經濟效益，縮短投資回收期。

2.2 風險估計

淺層地熱能開發利用項目的風險主要是經濟風險和環境風險。

從目前對淺層地熱能開發利用項目的資金投入和管理上來看，經濟風險主要是項目建設初期投入與建成后的收益風險，根據一些地區熱泵示范工程的運行情況來看，地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統建設的初期投入資金較一般鍋爐供暖系統和熱電聯產集中供熱系統相比高出1-3倍，給項目建設單位帶來了很大的負擔。而且，淺層地熱能開發利用工程初期巨大的投資造成資金回收期變長，使其在現行市場規則下缺乏競爭力。

環境風險主要是淺層地熱能的開發造成地質環境的變化，主要體現在盲目建設地下水地源熱泵系統導致系統運行性能降低、地熱資源的浪費和地下水回灌困難加劇地面沉降，地埋管地源熱泵系統建設沒有考慮咸淡水界面的保護導致咸、淡水串層和地下水的污染等。

2.2.1 地下水地源熱泵系統建設的風險估計

在一些開采利用地區，淺層地熱能資源取自含水巖組以粘土和砂性土為主的含水層，由于巖石顆粒細，地下水地源熱泵抽取的地下水經換熱器后不能全部回灌到含水層，造成地下水資源的浪費，并引發地下水位持續下降，形成或者進一步加劇部分地區的地面沉降[4]。因此，必須嚴格遵循淺層地溫能資源的開發利用原則建設回灌井，以回灌量確定開采量，回灌能力不能低于95%，并要加強對地下水位、地面沉降的動態監測。

2.2.2 地埋管地源熱泵系統建設的風險估計

地埋管地源熱泵系統普遍采用豎直埋管方式，在進行地埋管鋪設等施工過程中打穿咸淡水之間存在的相對隔水層如果沒有做好咸水底板處的封閉工作，咸水體會進入地下淡水含水層，導致咸、淡水串層，使地下淡水咸化，水質發生改變。因此在地埋管地源熱泵系統建設地區要采取有效措施防治咸淡水的串層，并加強水質監測。

3 結論

我國淺層地溫能資源豐富，其開發利用具有巨大的潛力，利用淺層地熱能替代常規能源用于城市建筑的供暖和制冷能夠有效地緩解城市生活能源使用的緊張狀況。與普通供暖制冷方式相比較，地源熱泵系統的初期建設投資費用較高，運行費用則相對偏低，具有一定的投資風險，但節能效果顯著，替代常規能源的同時減少了SO2、氮氧化物、CO2等大氣污染物和溫室氣體的排放。在開發利用淺層地溫能的過程中，為避免其帶來的風險，應制定相應的風險管理和控制措施，保障淺層地熱能得到科學、合理和有效地開發利用。

[1]王立發,董殿偉.北京市淺層地溫能資源評價及開發利用前景分析[A].地溫資源與地源熱泵技術應用論文集(第三集)[C].北京:地質出版社,2009:9-17.

[2]中國國土資源經濟研究院.天津市淺層地熱能資源開發利用規劃編制研究專題報告[R].北京:中國國土資源經濟研究院,2011.

[3]天津地熱勘查開發設計院.天津市淺層地熱能資源調查報告[R].天津:天津地熱勘查開發設計院,2010.

[4]馬鳳如,林黎,等.天津地熱資源現狀與可持續性開發利用問題[J].地質調查與研究,2006(9):222-228.

F407.2；P314.2

C

1672-6995(2011)04-0024-02

2011-04-11

張博（1985—），女，山東省臨沂市人，中國國土資源經濟研究院研究實習員，工學碩士，主要研究方向環境經濟。