基于不同原理热泵的地热梯级利用技术经济分析

王天任，李宏武，金光彬，李 昊

(1.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京 100083；2.国家地热能源开发利用研究及应用技术推广中心，北京 100083)

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分，是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源[1]。我国地热资源主要为中低温水热型地热田，具有分布广泛、储量巨大、开发利用难度较低等特点，已经成为一种新型的可再生能源。为了充分利用地热资源，根据“品味对口，梯级利用”的用能思想实现地热能的梯级利用提升能转化效率。郭啸峰等[2]以实际工程为背景介绍了采用地热水高温部分发电、低温部分直接供热、凝汽器热回收供热、尾水利用热泵供热的地热梯级利用技术。付林[3]等提出了首先利用高温热源水进入发生器自驱动吸收式热泵，然后利用热泵发生器出水与二次侧直接换热，换热后再作为低温热源进入热泵蒸发器通过热泵提升能量品味到与二次侧一致，以实现热源水逐级换热的吸收式大温差换热技术，达到增加取热量、降低回水温度、减少运行费用的目的。

受自身特性限制，吸收式热泵的发生器驱动热源温度要不低于80℃，且热泵能效比与热源温度成正比[4]。然而在我国分布广泛的中低温地热田大多低于这个温度，因此在地热领域较少有吸收式换热技术的应用。但吸收式换热技术可由中高温地热水直接驱动，减少高品位的电能消耗。因此，发展一种直接由一次能源自驱动的地热梯级利用技术具有很强的现实意义。

1 系统设计

根据《地热供热站设计规范》NB/T 10273-2019，地热供热站可以分为地热水系统、间接换热系统、供暖循环水系统、定压补水系统、回灌系统等5个部分。由于地热水具有很高的矿化度且Cl-离子含量较高[5]，对金属管道具有很强的电化学腐蚀作用[6]，不能直接进入用户管网及热泵蒸发器等设备，所以需要通过换热装置隔离地热水系统与供暖循环水系统。

目前，地热梯级利用技术主要有两种：压缩式热泵地热梯级利用技术和吸收式热泵地热梯级利用技术。基于压缩式热泵的地热梯级利用技术的原理图如图1所示。地热流体首先经过一级板式换热器与供暖循环直接换热，换热尾水通过二级板式换热器进一步提取低温热量并用与压缩式热泵蒸发器提升温度后供给用户。经过梯级利用的地热尾水经过回灌系统注入采出地层。这种系统需要用电机或透平机来驱动热泵，消耗一定的功。

图1 压缩式热泵地热梯级利用原理图

利用吸收式换热机组的地热梯级利用方法，无需压缩式热泵机组，地热流体首先进入一级板式换热器与发生器循环水进行换热，再进入二级板换与供暖循环水进行换，最后地热尾水进入三级板换与蒸发器循环水进行换热，完成大温差换热过程，系统原理图如图2所示。供暖循环水系统的热量主要由热泵发生器冷却水热量、二级板换直接换热热量、吸收式热泵提取地热尾水的低品位热量等三部分组成。其它各地热水系统、供暖循环系统、定压补水系统、回灌系统与压缩式热泵地热梯级利用技术相同。

图2 吸收式热泵地热梯级利用原理图

2 两种技术对比分析

2.1 算例设计及初始条件

华北地区中低温度地热资源丰富，地温梯度为3～4.5℃/100 m，中国地质调查局在华北某地实施地热资源探井一口，完钻井深3800 m，目的层为蓟县系雾迷山组白云岩，试水流量为120 m3/h左右，试水温度为106℃，其试水温度高于驱动吸收式热泵发生器运行的最低温度，可以作为自驱动热源。为了保证地热资源的可持续性，需要结合热储特性配置相应数量的地热回灌井。

以某特色小镇为背景，建立研究算例，进行技术方案比选研究。该区域占地面积约为2 km2，总建筑面积为200×104m2，其中民用建筑170×104m2，公共建筑30×104m2，民用建筑热指标为30 W/m2，公共建筑热指标为40 W/m2，冷指标为90 W/m2，不同种类建筑的冷热负荷详见表1。对民用建筑只考虑供暖，公共建筑既供暖又供冷。供暖季为11月15日-3月15日，制冷季为6月1日-9月15日。

表1 不同类型建筑物冷热负荷表

建立以内部收益率为评价指标的方案经济性评价体系。其中，收费价格参考北京地区冷暖价格体系，居民暖价30 元/(m2·年)，非居民暖价42 元/(m2·年)(含税价)，冷价按42 元/(m2·年)(含税价)。

水电费等参考河北省当地价格，其中电价参考居民电价0.463 kWh/元，水价参考非居民水价8.09 m3/元，不考虑职工薪酬、地热水资源税、维修费、材料费及银行利率等其他运营成本。

设备折旧采用直线折旧法，计算期为30年，固定资产折旧按平均年限法计算折旧，残值率为0%，折旧年限分别为：地热井25年，设备14年，直埋管道20年。

2.2 不同系统经济性分析

根据2.1节所建立的算例，对算例区域建立一座以中深层地热为热源的能源站，用户侧供回水温度为35℃/45℃，地热井布置均按照理想情况考虑，仅考虑地热井到能源站的一次管网，不考虑连接用户的二次管网，完善两种不同原理的地热梯级利用技术方案并开展经济效益分析。根据实际工程项目建设经验，压缩式热泵机组概算价格为0.4 元/W，吸收式换热机组为0.3 元/W。单井换热量12.6 MW，由此可知需要5口生产井方可满足整个算例区域的地热供暖负荷，再结合当地热储条件配备相应的回灌井后，不足部分热负荷采用燃气锅炉补充。

表2 新建社区收费率变化情况 %

根据实际项目经验估算，当按照新建社区考虑时，收费率情况按照表2所示变化，两种技术路线的内部收益率结果如表3所示。结果表明，由于当地的资源条件好，两种方案的内部收益率均较高，在80%入住率的情况下，分别为18.84%和18.03%。同时，压缩式热泵方案在不同入住率情况下，经济性指标均高于吸收式热泵技术，但随着入住率的提高而逐渐缩小。这主要是因为两种方案均是按照算例的满负荷工况设计测算的，吸收式热泵设备初投资较大，且单机功率较大调节灵活性较差，在低负荷运行时经济性不如初投资低、单机功率低的压缩式热泵梯级利用方案。

表3 新建社区时不同技术路线下收益率变化情况

图3 不同收费率下的年用电成本变化情况

随着入住率的提高，吸收式热泵梯级利用技术的优势逐渐显现出来。在入住率为80%时，压缩式热泵方案的运行成本为129.76万元/年，高于吸收式热泵方案的86.68万元/年，运行成本成为影响方案经济性的主要因素。如图3所示，在收费率低于80%时，压缩式地热梯级利用技术仅依靠地热流体与供热循环水进行直接换热即可满足算例范围内的热负荷需求。在收费率超过80%时，需要开启压缩式热泵对无法直接换热的地

热流体进行梯级利用，因此用电量显著增大。而吸收式换热机组按照负荷增长逐台启动，用电量成梯级变化。在收费率超过80%时，吸收式梯级利用机组满负荷运行，用电成本基本不变，而压缩式热泵系统的电能消耗则随收费率显著增加。

因此，当入住率分别按照65%、80%、100%三种情况的按照成熟社区考虑时，两种技术路线的内部收益率结果如表4所示。与新建社区不同，成熟社区的入住率不会随时间变化逐渐提高的。因此，两种方案的内部收益率均高于新建社区的情况。在收费率达到100%时，压缩式和吸收式两种地热梯级利用系统的内部收益率分别为27.87%和29.71%。在较高收费率时，吸收式地热梯级利用系统的经济性更好。

吸收式热泵机组的初投资较大，因保证供热负荷与装机负荷相匹配，减少资产闲置的情况。吸收式热泵梯级利用技术在地热领域应用较少，系统造价偏高，随着该技术的推广，相关设备费用还有较大的下降空间。

表4 成熟社区时不同技术路线下益率变化情况

3 结论

本文结合华北某地的地热探井具有水温高、水量大的特点，并以实际工程为背景建立了应用算例。基于此对比了压缩式热泵梯级利用系统和吸收式热泵梯级利用系统的经济适用性。结果表明，在收费率低于80%时，压缩式热泵梯级利用系统因初投资较小，具有更好的经济性；而在收费率高于80%时，吸收式地热梯级利用技术具有运行成本低的优势，经济性更好。