地熱清潔供暖系統中成本管理及能效提升策略探究

牛海瑞，，王俞文，劉健，宋新強

（1.中石化新星山東新能源有限公司，山東東營，257000；2.中石化新星河南新能源開發有限公司，河南鄭州，450000；3.中石化綠源地熱能(山東)開發有限公司，山東德州 253600；4.東營市自然資源和規劃局河口分局，山東東營，257000）

地熱能是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔環保、穩定可靠等特點，應用性好且具有競爭力。加快開發利用地熱能不僅對調整能源結構、節能減排、改善環境具有重要意義，而且對培育新興產業、促進新型城鎮化建設、增加就業均具有顯著的拉動效應；也是我國促進生態文明建設的重要舉措，是推進能源生產和消費革命、構建清潔低碳能源體系的重要選擇。目前國內外研究主要集中在地熱能的開采利用技術探討、開發利用現狀研究、經濟效益分析和政策建議等方面[1-3]，對地熱供暖的能效提升研究較少。基于此，該論文從地熱項目的成本控制管理分析入手，重點分析了地熱供暖系統的能效提升對策，以期為科學合理評價地熱供暖項目的綜合效益及后續可持續開發利用提供參考。

1 地熱資源開發利用現狀

按照在地下的賦存狀態，地熱資源可以劃分為水熱型、地壓型和干熱巖型三大類，其中水熱型地熱資源是目前利用最為廣泛和成熟的。我國水熱型地熱資源儲量非常豐富，每年可采資源量折合標準煤19億噸，被廣泛應用在城鎮供暖、農業種植、醫療洗浴和旅游開發等產業中。在地熱直接利用構成中，地源熱泵占58.8%，地熱供暖占19.5%（含空間供暖16.0%和溫室供暖3.5%），溫泉洗浴占18%，詳見圖1[4]。2014年，我國地熱供暖比例首次超過溫泉洗浴，充分說明我國地熱資源能源化利用步伐正在加快。尤其在我國供暖需求市場廣闊的北方地區，資源分布區與供暖需求城市區恰好吻合，地熱供暖正逐漸成為可持續發展項目的重要組成部分。

圖1 地熱能各領域直接利用結構

由于地熱采暖不僅可節省煤炭的運輸成本和空間占用，還可大量減少二氧化碳、氮氧化物等有害物質的排放，避免大氣污染，能有效替代常規能源。近年來，利用中低溫地熱能源供暖的規模不斷增長，主要以傳統水熱型地熱資源供暖的方式，年均增速約20%。中國石化堅持以地熱資源梯級利用為導向，以地熱開發利用“雄縣模式”為模板，新形勢下又提出繼續打造20個地熱供暖無煙城，在我國河南、河北、山東、湖北等省的多個區域得到推廣應用，均取得了較好的社會效益和經濟效 益[5]。在多年的發展過程中，中國石化新星公司逐步建立了一套完整的包含資源勘查與評價、鉆井成井工藝、梯級利用、保溫與換熱、防腐防垢、高效運營、尾水回灌技術體系，為我國中深層地熱清潔供暖的可持續發展提供了實踐經驗與創新引領。

2 地熱供暖成本控制管理

2.1 成本構成

一個完整的地熱項目建設，主要包括熱源部分（地熱井建設）、供熱泵房和末端散熱部分。目前常見的地熱利用形式為水熱型，主要采用鉆井將地下熱水提升至地面，通過供熱站房熱交換器將熱量換出，循環泵將獲得熱量后的循環水通過集水器、分水器、散熱器等設備輸送給用戶。對一個供暖面積相對固定的供暖系統來說，泵房、末端的總投資和其本身的運行成本相對變化較小，因此，一個地熱井供熱站的投資、運行成本及投資回收期主要取決于地熱井鑿井費用、熱源質量（穩定的流量和溫度）及供暖設計水平等。

項目建設完成后，涉及的運營成本要素比較繁雜，除基本的供暖所需的材料、水和電的消耗、耗時的人工、折舊翻新等費用外，還包括管理成本、間接生產成本及稅金開支。供暖企業當前運用的原則是遵循從上至下的分級管理以及分層控制，各部門都需要對各自負責的成本指標進行調整與分化，比如因動力所需的燃料費用的控制由公司成本核算部門負責；供暖所耗費的人工費用由人事部門負責；供暖設備的檢查和維修等產生的費用由運營部門負責；全部項目的費用分析需交財務部門負責等。

從圖2供暖運營成本構成可以看出，電費在供暖成本中的占比最大，為33%；其他供暖運營成本支出占比不同?？煽刂频膮^間范圍仍然很大，任何一個環節不注重成本控制和能效優化，都有可能導致綜合運營成本高于平均水平，甚至影響項目整體收益。

圖2 地熱供暖運營成本構成

2.2 成本控制措施

2.2.1 開發階段

開發階段企業的生產成本應得到有效控制?？茖W、合理的對企業供暖系統進行設計、改進，在地熱項目開發過程中使用新設備、新技術，均可以提高資源的有效使用率；同時在供暖成本上，要考慮投資、成本消耗因素。

2.2.2 實施過程

供暖企業的主要成本幾乎都發生在實施過程中?？茖W、合理的制定相關的成本控制措施，可以有效降低生產成本，從而確保實施過程有序、順利進行。主要歸納為：其一，成本管理人員需要根據目前供熱企業的實際情況，分別從熱力供應、生產材料加工與原材料購置等方面開展成本分析，強化對供熱成本調控方式和調控強度關系的有效分析。其二，在遵守國家熱力資源供應要求的基礎上，通過科學的社會數據調查與統計方法，仔細分析具體的供熱需求，以合理調整企業的投資成本，確保區域內地熱供暖強度可以滿足客戶實際要求。其三，采取綜合分析方法整合成本調節方式，對于單方面效益滿足問題予以規避。

3 地熱供暖系統能效提升對策

雖然我國地熱清潔供熱產業已具備一定的規模，但在熱源匹配、調節控制、數據監測、設備質量、技術含量以及運行管理等方面還不能滿足實際供熱需求。在長期運行中，所在地區的氣候條件、地熱資源的品質、不同類型建筑物的采暖熱負荷以及室內采暖系統和城市建設的發展規劃都會影響地熱供暖系統的穩定發展。因此，要堅持“整體規劃，分布實施、資源先行、綜合利用、科學開發、環境保護”的發展目標，綜合考慮到各種因素，從以下六個方面入手，進一步提升地熱清潔供暖系統的能效利用水平，以實現地熱供熱產業與城市經濟、社會、環境發展的共贏。

3.1 地熱資源目標層系的選擇

重視資料收集和實地調查，提高選擇目的層的準確性，并針對該目的層的埋藏深度及產熱參數，結合項目情況進行初步經濟性分析。不同類型的熱儲，在平面和垂向上的分布規律不同，要針對不同類型的熱儲開展儲層分布規律研究，明確儲層在平面和垂向上的分布特征，合理制定完鉆深度和取水層段。同時，在項目正式開發前，要合理確定井數和井位，根據實際情況控制采灌井間距。不因井距過小而產生熱突破，不因井距過大達不到開發要求。

3.2 優化鉆完井技術

一是要選擇合理的鉆完井方案。根據不同地層采用不同的井身結構，選擇合理的鉆具組合，優選套管和固井材料。二是選擇專業化的鉆井隊伍。鉆井隊伍要具有相應的資質、人員培訓上崗證書、設備完好、具有地熱鉆井經驗。三是要充分考慮地熱井和油氣井井控要求、地質情況、開發環境等因素，在有參考井或者開發區域較為成熟的地區，建立適合地熱井的井控標準和HSE標準，降低鉆井施工成本。四是優化井身結構，在保證井筒完整性的前提下，盡量減少套管層次，滿足泵的尺寸要求，降低成本。五是要合理進行固井水泥漿體系和固井工藝的選擇，考慮溫度和腐蝕，優選符合地熱井開發條件的封隔器和懸掛器。

3.3 提高工藝設計與建設的經濟性

一是對于區域性地熱供暖項目，要按照統一規劃、分步實施的原則，充分考慮現有供熱負荷及未來用戶的增加，分批次投資建設，確定每一期項目的換熱站產能、設備選型，避免一次性建設產能過剩，同時降低企業資金壓力。二是要注意地熱資源的綜合與梯級利用。根據不同的用途，綜合利用地熱資源，使地熱終端消費多元化，梯級化和集約化開發，將地熱水的溫差“吃干榨盡”， 實現地熱尾水全部回灌，降低對地下水資源的破壞和浪費，地熱梯級利用方案見圖3。三是根據用能負荷需求實時變化的特征（其中需考慮不同公建、民建的供熱特點，不同末端的負荷差異等因素），制定最為節能的運行策略，并合理設計調峰設備（熱泵、燃氣鍋爐等）的裝機容量及運行時段，實現優化投資，優化運行成本。四是在換熱站建筑材料方面，要結合綠色建筑要求，完善站內保溫措施。站內采取標準化、模塊化、撬裝化設計，縮短施工周期。

圖3 地熱梯級利用方案

3.4 優化管網路由設計

因地熱井及站內井網相對較短，單站供暖面積也相對較小，因此優化空間不大。一是對于地熱水，確立合理的流速，降低摩擦阻力；高腐蝕地區可以采用玻璃鋼或者PE管；采用硬質聚氨脂泡沫塑料黃夾克一次成型保溫。二是對于站內管道，宜采用硅酸鋁鎂管殼或橡塑材料保溫。管網敷設盡量直埋；選用最節省管材的枝狀管網；若多對井同時生產并共用管網，在井口增設流量和壓力遠傳，便于調節水力平衡。三是供暖二次側可考慮增加調節閥或者平衡閥，避免出現水力不平衡引起的冷熱不均。合理設計管網路程，通過水力平衡，防止出現部分用戶過熱，部分用戶過冷的現象。

3.5 提高精細運營管理水平

一是要做好供暖末端管理，減少末端及管網跑冒滴漏，實現節約補水量、降低循環泵電耗。二是對于住宅樓，要做好分戶管理和分戶控制，一方面維持供熱溫度達標但不過高，另一方面對無人房屋或未交費房屋停止供熱，避免用戶端熱量浪費。三是日常檢維修時要定期清洗換熱器，減少污垢熱阻，提高換熱效率?？砂惭b電磁阻垢器，減少地熱水在管道中的結垢。四是基于能源側、管網流程、用戶側末端，根據供熱規模、溫度的變化，及時合理調整供熱負荷，以系統能效為目標優化生產管理流程。同時要完善預警反應機制，針對管網損壞、設備異常等情況，建立完善的預警——處置——反饋機制，縮短維修時間，提升運行效率。五是盡量采用智能控制系統，根據環境溫度及用戶側溫度監測，反饋至控制系統，調節變頻循環泵、熱泵等設備，實現系統優化運行，降低系統能耗。六是針對性地控制換熱站運行中電、水、人工及維修費等主要成本費用。按照質調節量調節、高峰低谷期合理調整，最大限度節約用電；通過先進的監控設備加強檢測，減少跑冒滴漏，降低漏水率。減少用工量，做到無人值守或者少人值守，降低人工成本。

以東營市西湖供暖小區為例，該小區地熱供暖項目總供暖面積為20萬平方米，配套建設一座地熱站，兩口采水井＋兩口回灌井，利用地熱水作為供暖熱源，冬季為地暖系統用戶提供45℃/35℃熱水。單口生產井出水溫度為68℃，出水量為80 m3/h。供暖系統采用“板式換熱器＋熱泵機組提溫”方式。2020－2021年供暖季運營總成本中，折舊費占比41%，電費27%，人工費15%，檢維修費用8%，其他費用共9%。相比上一供暖季，單位耗電同比降低0.51元，降幅9.37%。主要采取措施是對氣液分離器進行技術革新，停用了氣液分離器三臺循環泵，節省了用電量。根據室外天氣情況，階段性降低循環泵的頻率，也節約了用電量。相比上一供暖季，單位水耗比去年同期降低0.13元，降幅32.8%。每天對各站耗水量進行統計、分析、巡線，發現漏點當天處理不隔夜，提高了管理時效性。相比上一供暖季，單位維修費比去年同期降低1.24元，降幅53.43%。主要措施為優化維修流程，扎實做好夏季檢修工作，“冬病夏治”提高了檢修質量。

3.6 熱用戶方面的節能提升措施

用戶節能措施的好壞關系到熱用戶的用熱效果和用熱費用，因此有必要對此進行分析，提出應采取的節能措施。一是加大熱用戶室內散熱設備的更新工作，多采用鋼制散熱器，采暖系統形式也應從單管系統設計改成為分戶計量設計，同時在系統上安裝調控閥門，對進入熱用戶的供熱水量根據用戶的室溫變化情況進行調節，從而使熱用戶按其需要自行調節供熱量，達到節約能源和節省供熱費用支出的目的。二是市場經濟下需要新的供熱管理機制，使大家都認識到熱是一種商品，用熱就得花錢，改變福利供熱的觀念，并逐步將按建筑面積收費改為按熱量收費，根據合理的收費，調動熱用戶的節能意識。

4 結論

在“碳達峰、碳中和”的背景下，地熱清潔能源供暖系統必將發揮其低碳環保、清潔高效的優勢，深層次推動能源產業結構調整，改變經濟社會的運行軌跡。但在地熱供暖產業規?；l展中，需要注重在開發初期、實施階段及運營管理等全過程進行成本分析及控制。同時要認識到，建筑規模的特點、地熱熱源的穩定性、室外供熱管網的現狀、供熱系統的運行情況、實際供熱能耗及企業管理和技術力量的配備情況都會影響供熱系統整體能效的提升。因此，合理優化、整體提升供熱系統是提高地熱能有效利用率和供熱運行效率的關鍵所在。要結合實際情況，采取相應的節能措施去實現地熱供熱能效提升，在促進我國地熱清潔供暖產業健康快速發展的同時，助推國家環保節能工作和“雙碳”目標的實現。