新鄉市淺層地熱能資源開發利用經濟環境效益分析

郭全成，馮運蘭

(新鄉市節約用水中心，河南 新鄉 453000)

新鄉市城區位于太行山南麓，屬山前傾斜平原與黃河沖積平原的交接帶，地形西高東低，北高南低。北部地面高程130 m～210 m，南部地面高程69 m～73 m，區內最高點鳳凰山標高為292.7 m。縱觀全區地貌輪廓，大體可分為三部分，北部為丘陵崗地，中部為山前沖洪積傾斜平原，南部為黃河沖積平原。區內全為第四系松散層所覆蓋，含水層由多層密實的粉細砂、砂礫石及中細砂和細砂巖組成。淺層地下水頂板埋深北部30 m～40 m，南部超過300 m。大部分埋深大于100 m。城區現有地源熱泵用戶85家，用戶面積總共約180萬m2，用水量每年約300萬m3，開發深度80 m～100 m較多。地源熱泵換熱形式多采用一抽二回或一抽多回。地源熱泵地下水換熱形式隨著運行時間的推移回灌能力逐漸降低，在夏季直排或偷排現象尤為嚴重。由于地源熱泵地埋管形式建設成本較高，使得用戶使用較少。

新鄉市城區200 m以內淺層地熱能小部分地區適宜地下水換熱方式進行開發，大部分地區適宜地埋管換熱方式開發。通過測算，200 m以內淺層地熱能總功率為冬季2.36×106kW，夏季3.79×106kW。在暫不考慮允許建設區土地面積的情況下，單位溫差淺層地熱容量為27.79×1012kJ/℃。

1 環境效益分析

淺層地熱能資源作為一中清潔環保的新型可再生能源，資源儲量大、分布廣，發展前景廣闊，市場潛力巨大。積極開發利用淺層地熱能對緩解能源資源壓力、實現非化石能源目標、推進能源生產和消費革命、促進新鄉市生態文明建設具有重要的現實意義和長遠的戰略意義。2013年，新鄉市就已獲得國家“可再生能源建筑應用示范城市”稱號。在開發利用過程中，由水源熱泵機組、地熱能交換系統，將巖土體和地下水中的低品位熱能轉化成可開發利用的高品位熱能，減少了能量消耗，不排放二氧化碳等氣體及粉塵，對大氣環境影響很小，對節能減排起到了積極作用，符合國家制定的節能減排、保護環境的政策。根據測算，新鄉市城區全年可利用淺層地熱能資源約為0.90×1013kJ/a，折合標煤約3.06×105t/a，減少二氧化碳排放量約7.50×105t。見表1。

表1 環境效益分析表

2 淺層地熱能開發利用環境影響分析

目前，新鄉市城區淺層地熱能開發除可能造成地下水資源浪費外，尚未發現有較大環境影響。根據有關文獻，結合新鄉地質條件對不合理的淺層地熱能開發可能造成的的環境影響分析。

2.1 地下水源熱泵開發造成地下水資源浪費

新鄉市城區多數地方屬地下水源熱泵換熱不適宜區，新鄉市淺層地熱能利用當中存在的問題主要是：地下水換熱運行后回灌能力隨著時間逐漸降低，特別是在夏季，直排或偷排現象尤為嚴重，不利于地下水資源費的節約、保護。即便在適宜采取地下水換熱的區域，長期運行也會影響地下水水質。造成地下水中鐵等金屬元素含量偏高。因此，建議在城市規劃區內從嚴審批地下水源熱泵項目，并對已有項目加強監督管理。

2.2 冷熱不平衡造成土壤生態環境破壞

地源熱泵地埋管換熱方式會向巖土體中釋放熱量或是從巖土體中吸收熱能，從而會造成局部巖土體溫度改變，通過地埋管換熱模擬及實際運行的經驗發現，地埋管換熱方式長時間運行后，通常巖土體溫度都會有一定的升高。隨著巖土體溫度升高會造成一定風險：(1)近地表巖土體溫度的升高，越冬類昆蟲的繁殖能力會有所增強，進而增加病蟲害發生的風險性；(2)近地表巖土體升溫會加快土壤的干燥過程，而土壤中的微生物和菌類的繁殖和生存都需要在較高的濕度下才能進行，土壤的干燥會使微生物和菌類失去生存的環境，進而引發局部區域生態災害的風險性。

新鄉地區冬季供熱、夏季供冷基本平衡，合理開發不會造成以上問題，但如果僅僅用于單向制冷或制熱，則可能造成土壤溫度變化，帶來各種生態環境變化。

3 經濟成本評估

因地下水換熱方式建設成本較低從經濟角度效益較好，本次僅以地埋管換熱方式為例進行經濟成本評估。

同樣以20000 m2建筑面積，以表冷熱負荷參數為依據，分別對地埋管熱泵系統和傳統中央空調系統的初期投資、年運行費用和總費用進行比較。

3.1 初期投資成本比較

土壤源熱泵系統和傳統中央空調系統兩種方案的建筑物內熱交換系統，循環水泵及管路，空調用戶控制及末端設備均基本相同，按一致估算；對于初投資主要比較系統的建筑物外側部分，各方案的初投資概算見表2。

表2 初期投資概算表

如表2所示，土壤源熱泵系統初期需布設大量的換熱試驗孔，因此初期投資成本相比傳統空調系統要高出70萬元。

3.2 長期運行費用比較

首先對兩項方案的年運行費用進行對比，按設計冷負荷90 W/m2，設計熱負荷75 W/m2，則總體冷負荷為1800 kW，熱負荷為1500 kW。夏季供冷期按100天運行，冬季供暖期按110天運行，系統按每天平均10小時運行。

土壤源熱泵系統中的循環熱水，可以用作生活熱水被用戶再次使用，而傳統空調系統，需要另外加裝電鍋爐系統才能為用戶提供生活熱水。中央空調系統的運行費主要由和維護管理費兩大塊構成，其中能耗費包括水費和電費；維護管理費包括維修費和人員工資福利費等。綜合分析年運行費用組成見表3。

表3 年運行費用比較表

續表3

由表3可知，土壤源熱泵方案增加的初期投資能在3年～5年內收回。雖然土壤源熱泵系統的初投資回收期相對較長，但是該系統運行能耗較低，并且只消耗電能，正常運行過程中不會對周邊環境造成直接污染，也不會將余熱排放到室外大氣環境中，有著顯著的節能環保優勢與經濟效益優勢，因此具有較強的推廣開發利用價值。

4 結語

新鄉市的淺層地熱能開發利用，通過近二十年的實踐，已初步摸索出一套適合本地經濟社會發展的淺層地熱能管理模式。在今后的實踐中，通過總結經驗、查找不足，向先進地市學習，按照技術先進、環境友好、經濟可行的總體要求，全面促進淺層地熱能資源的合理有效利用，推動新鄉經濟社會的更好更快更強發展。