地热供暖经济性主控因素分析——以天津地区为例

■ 茹洪久/赵苏民

（天津地热勘查开发设计院，天津 300250）

0 引言

地球是一个庞大的热库，热能巨大。天津市利用地热进行供暖面积已达2773万m2，最早的地热井利用将近40年。实践证明地热能供暖技术成熟，优势明显[1]。但地热资源是受区域地质构造控制的本土资源，地下资源条件的优劣以及人们对地热能利用水平的不同，致使地热供暖经济性差异较大。本文以天津地区某单井供暖20万m2居民住宅项目为例，分析了钻井深度、运行方式、水位变化等主要因素对地热供暖经济性的影响，提出了增加地热供暖经济性的措施，以期对科学、高效利用地热资源，加强能源安全提供实践经验和理论参考。

1 地热供暖优势

1.1 技术成熟

目前常见地热利用形式为水热型，主要采用钻井将地下热水提升至地面，通过热交换设备将热量输送给各用户。其中地热井钻凿技术、换热技术、热泵技术都非常成熟；地热供暖设备性能、设计、施工水平较高；地热供暖系统运行稳定，安全可靠，供暖效果舒适宜人。同时，地热供暖系统节能效果明显，以热能利用率为例，普通燃煤锅炉最高在60%～70%，地热采用热泵技术对尾水进行热量回收，降低排水温度，热能利用率普遍能够达到90%以上。并且还可根据需要，与其它调峰能源结合使用，进一步扩大供暖面积，方便灵活，技术、经济性最佳。

1.2 经济效益显著

地热供暖的热能来自于地下，供暖过程中不受天气状况影响，也不受化石能源价格波动的影响，不需要大规模购买燃料。前期投入主要是钻井费用和供暖设备购置。地热供暖系统运行中，地热能往往作为基本负荷能使用，与热泵、燃气等调峰能源结合，可进一步扩大供暖面积。主要支出为电费、相对较低的运行和维修费用。所以说，地热供暖投入产出比高，经济效益显著。

1.3 绿色环保可持续利用

地热供暖节约了大量的燃煤，避免了燃煤锅炉的废气、废渣对周围环境的污染。地热供暖采用间供模式[2]，地热流体除热能被交换出之外，物理性质、化学性质很少变化，是地热回灌的最佳水源。管理上往往采用集中供暖的方式，坚持“热能梯级利用、流体循环利用”（尾水回灌）的原则[3]，热能利用率和节能效果有很大提高，体现了地热资源的可再生属性，能够实现可持续利用。

2 地热供暖经济性主控因素分析

一个地热井供热站的建设，主要包括热源部分，即地热井建设；其次为供热泵房和末端散热部分。目前常见的地热利用形式为水热型，主要采用钻井将地下热水提升至地面，通过供热站房热交换器将热量换出，循环泵将获得热量后的循环水通过集水器、分水器、散热器等设备输送给用户。对一个供暖面积相对固定的供暖系统来说，泵房、末端的总投资和其本身的运行成本相对变化较小，因此，一个地热井供热站的投资、运行成本及投资回收期主要取决于地热井凿井费用、热源质量（稳定的流量和温度）及供暖设计水平等。

本文以天津地区一个20万m2居民住宅采用地热供暖为例进行具体分析。

2.1 基本情况

供暖对象为居民住宅，面积20万m2，建筑热耗指标48W/m2，总供热负荷9600kW；末端为低温地板辐射采暖系统，供热参数45℃/35℃（建筑物维护结构不同、供暖方式不同，供暖负荷和参数也会有差异）。开凿地热对井作为热源，采灌对井钻井深度均为3000m，目的层为蓟县系雾迷山组热储，开采井井口出水温度85℃，出水量100m3/h，回灌井能够实现百分之百自然回灌。

地热供热能力估算：地热水一级利用尾水降低至38℃，可产热5465kW；二级利用地热尾水降低至10℃，水源热泵COP=4.5，其中，利用的地热余热3256kW，热泵电功率930kW，二级利用产热4186kW；两级利用合计产热量9651kW，能够满足用户需求。地热供暖流程见图1。

图1 地热供暖流程

2.2 总投资分析

地热供热工程投资主要包括地热井、地热供热站和末端系统三部分。由于末端系统费用一般含在主体建筑费用中，在此不予考虑。地热供热工程投资估算如表1所示。

表1 地热供热工程投资估算

从表1中可以看出，地热供热站初投资约为127.4元/m2，同样供热20万m2的其他能源，燃煤供热站初投资为958万元，单位面积投资额约折合47.9元/m2，燃气供热站初投资为672万元，单位面积投资额约为33.6元/m2，三者对比地热供热的初始投资明显较高。

在较高的地热供热初始投资中，地热热源占总投资比例为50.4%。其中地质勘查费、探矿权收益和监理费用占比较小，地热热源占总投资的比例主要受3000m深地热井的凿井费用影响。如果地热地质条件较好，开凿出相同流体质量的热储层埋藏变浅，凿井深度分别按2500m、2000m计算，凿井费用仍按1666.7元/m计算，则对井凿井费用分别为833.4万元、666.8万元，地热热源占总投资比例分别为46.67%、42.14%。如果地热地质条件较差，开凿出相同流体质量的热储层埋藏变深，凿井深度按4000m计算，或者需要2对2000m地热井才能满足用户需求，总的凿井进尺为8000m，费用仍按1666.7元/m计算，则凿井费用为1333.36万元（以上计算均未考虑井深变化对应的凿井价格的变化），地热热源凿井费用占总投资比例增加到63.24%。

因此，在总投资方面要提高地热供暖的经济性，主要是要求地热能供暖技术成熟，优势明显。对控制点要做好前期地热井可行性分析与论证，必要时投入一定的地热勘查工作，其费用占比不大，但对地热供暖的经济性影响会很大。

2.3 运行费用分析

对地热供热站运行成本进行估算，结果如表2所示。

表2 地热供热工程运行成本估算

从表2中可以看出，地热供暖运行成本中，折旧费用占比33%～36%，电费占比37%～41%，人员工资、资源税、水费、维修管理费等合计占比30%～23%[4]。折旧费和人员工资成本相对固定，运行成本变化点主要在热源税和电费方面。

2.3.1 主控因素分析

建筑物的平均供热指标取为40kcal／(m2·h)，每年供暖四个月，共120天，每天24h连续供暖，则每平米建筑面积一年的总供热量为0.4823GJ。按地热资源为居民住宅供热，回灌条件下地热资源税占比为0.84元/m2，不回灌条件下地热资源税占比为2.30元/m2（天津地热资源税规定）。如果利用热电联产供热，按28元/GJ计算（现场调查），则供热热源费用为13.5元/m2。若采用燃气锅炉供暖，锅炉效率为0.85，天然气的热值为8400kcal／Nm3，则锅炉每年为每平米供热面积所耗的热量为0.5674GJ[5]，则供热热源费用约为35.5元/m2。

可见，地热供暖的主要特征是初投资高而运行成本低。为缩短高投资的回收期，就要进一步降低运行成本。降低运行成本的主控因素在热源费用占比较高的回灌和用电量控制方面。

2.3.2 回灌控制因素

依据采暖度日数估算得到本项目供暖20万m2，地热井累计开采量为22.975万m3。如果不回灌，税率为2.0元/m3，供暖热源税成本45.95万元，所占运行成本比例为14.1%；如果实现回灌，回灌部分税率为0.7元/m3，本项目能够百分之百回灌，供暖热源税成本为16.08万元，占总运行成本的5.4%。可节约运行费用近30万元，运行成本降低8.7%。

2.3.3 电费控制因素

地热井液面水位埋深加大，会造成提水设备电能消耗增大。当超出配套设备的极限后，还会涉及部分配套设备的更换。目前地热井水泵扬程多为160m，功率为75kW，按供暖期持续运行、供暖面积为20万m2计算，每年地热井水泵的电费成本为2.07元/m2（现场调查）。未来极限水位埋深按300m考虑，水泵电机功率为140kW，与现状相比，其电费成本高出1.79元/m2；按增加20万元配套设备、折旧10年计算，其电费成本将为3.86元/m2，比现在高出1.79元/m2（表3）[6]。

表3 水泵扬程增加后电费成本估算

由于资源品位、利用规模及工艺水平等不同，目前地热供暖单位的运行成本差异较大，一般为13～23元/m2。运行成本若增加1.79元/m2，一些运行成本偏高的单位可能难以承受，而运行成本偏低的单位则降低了部分利润。

降低电费的一个途径是保持水位较缓慢地下降，另一个途径是科学合理选取循环泵等耗电设备参数，最好选用变频系统控制，能更好地节省整个供热系统的耗电成本。

因此，做好地热供暖尾水回灌，必要时开展地表水回灌，维持热储压力，保持较高的水位对供热单位降低运行成本、提高经济性是很重要的。

3 社会效益评价

社会效益评价就是要按照资源最优配置的原则，评价项目对国家和社会发展目标所做的贡献和产生的影响。

3.1 地热资源利用率

利用地热能供暖，节约了煤、石油等不可再生的化石燃料，也缓解了城市交通运输压力，有利于我国资源的可持续发展，是我国未来能源技术的发展方向。

本文所选示例工程采用了地热资源开发循环利用集约化供热工艺，极大地提高了地热资源的利用率，实现了地热资源的最优配置。地热利用率（η）等于地热实际供热量/地热可供热量，计算公式如下：

式（1）中：η为地热利用率（%），G为地热供水流量(kg/s)，C为地热水比热(kJ/kg·℃)，tg、th分别为地热供水温度（85℃）、地热尾水温度（10℃）；t0为地热计算最低排水温度（根据国外低温地热资源的评价方法，一般按当地年平均室外气温计算。天津地区年平均室外气温12.2℃，因此取t0=12℃）。

根据公式（1）计算，地热资源的利用率η=100%。

3.2 社会评价

地热资源开发利用采用集约化供热工艺，最大程度地减少了废气废物的排放，节约了城市污染的治理费用，有效地保护了生态环境。同时为居民提供了优美、舒适的生活和办公环境，符合公众利益，有着十分积极的社会意义。

取燃煤锅炉燃烧和供热的综合效率为60%，原煤热值为5000 kcal/kg，则节约原煤量为7892吨/季，（参见表4）[7]。

表4 环保效益一览表

4 结语

从前文的分析计算可以得出以下结论：

(1)地热供暖技术成熟，优势明显。

(2)地热供暖初投资高，需做好地热地质论证，选择凿井深度小、热流体质量好的热储可降低初投资占比。

(3)降低运行成本的主控因素是地热资源税和运行电费。措施是实现地热尾水100%回灌，维持热储压力和选用变频电器设备。

(4)地热供暖能源利用系数较高，节能减排效果明显，社会效益较好。

值得指出的是，地热供暖受地热资源条件、开发利用政策、供暖收费标准、供暖规模以及建筑物结构维护体系等多因素制约，不同地区甚至同一地区不同开发利用单位之间的经济性都有很大差别，本文的分析与计算都是假设在最理想状态下，结论仅供参考。