无干扰地热供暖的系统性评价研究*

张哲菲，刘洪涛，李娜，李国平

(1. 西安交通大学经济与金融学院，陕西西安 710049；2. 西咸新区沣西新城能源发展有限公司，陕西西安 712000；3. 西安电子科技大学经济与管理学院，陕西西安 710126)

煤炭、石油等化石能源的使用，推动着人类社会从农耕文明发展到工业文明，给人类的生活带来极大的改变，但是近年来化石能源的过度使用也带来了环境污染、生态破坏等一系列问题。同时也对人们的生存发展造成了威胁。如何减少化石能源的消耗已经成为了人们关注的焦点。面对我国日益严峻的环境与资源问题，开发利用可再生能源对于我国的经济发展具有重要意义。在已发现的众多清洁能源中，地热能具有资源分布广、清洁环保、稳定可靠等优势，且我国地热能储量巨大。对地热能的合理开发和利用，不仅可以缓解能源危机而且对于我国的节能减排以及可持续发展具有重要意义。

1 研究背景

我国煤炭等化石能源相对丰富，长期以来以煤炭作为主要的供暖能源，对清洁能源的开发利用起步较晚。随着当前人口、资源、环境之间的矛盾日益突出，调整能源布局、治理环境污染已经成为了重中之重。现有研究一方面从环境效益方面出发，对清洁能源的利用进行了研究。姚华等[1]从环境影响的角度考虑，认为若想达到同等的采暖要求，单位环境因子比较低的供暖方式将成为最好的选择。张道明[2]通过搭建的一套实验室稀释测试系统，测试了9 种典型的燃料，发现清洁燃料具有良好的颗粒物减排效果，但是当排放因子换算成全面污染物排放总量时，盲目地提高炉具火力强度不利于减排。庞军等[3]通过等热值替代的方法计算了天然气替代煤炭后在不同领域的减排效果，然后通过无量纲的方法对污染物减排综合指数进行了计算，从污染物减排角度对天然气的各个领域优先次序进行了重新排列，发现利用天然气替代煤炭集中供暖有明显的减排效果。

另一方面，一些学者从生命周期的角度，对不同采暖方式进行了评估。生命周期评价(LCA)适用于评估产品在其生命周期中对环境影响的技术和方法，广泛应用于能源对环境影响的相关研究。袁宝荣等[4]认为化石能源生产的生命周期清单具有重要意义，一方面是开展化工产业及生命周期分析的基础，另一方面也能阐明化石能源生产的基本环境行为。武娟妮等[5]基于生命周期的角度，在相同供热量的基准下，对散煤采暖的主要供暖替代方式下大气污染物排放和能效进行了比较，发现相比于散煤取暖，清洁采暖方式能有效的降低大气污染物的排放量，尤其是PM2.5和PM10。付子航[6]认为煤制天然气的过程是否低碳高效，不能仅以某一环节的能效作为评价标准，只有采用LCA 的方法测算,才能系统客观的认识这些产业的优劣。

从目前研究来看，国内外的学者对于地热能供暖的评价大多是基于单一的经济效益或者环境效益进行分析，如何综合地评价其环境、经济与社会效益，还有待深入研究。针对以上问题，笔者以燃煤、天然气、地热能几个供暖方案作为研究对象，借助AHP 模型评价了各种供暖方式的综合效益，使得评价更加的准确、完善, 为我国供暖行业的低碳转型提供参考。

2 不同供暖方式的LCA分析

生命周期评估(Life Cycle Assessment，LCA)，是一种系统化地定量描述产品生命周期中的各种资源、能源消耗和环境排放并评价其环境影响的国际标准方法。对无干扰地热能供暖方式节能环保的评价，不能仅采取一个环节进行评价，可以通过LCA 的方法进行测算，并于其他供暖方式进行比较，才能准确得出该供暖方式的优劣。

2.1 研究目标与范围

研究对象为无干扰地热供暖、燃煤供暖、天然气供暖等3 种供暖方式。我国的煤炭储量大，采用煤炭供暖成本比较低，并且煤炭供暖技术较简单，所以我国冬季供暖的主要能源是煤炭，但煤炭燃烧过程中会产生大量的有害气体，不利于环境保护。与煤炭供暖能源相比，天然气供暖利用效率更高，而污染物排放比较低，并且天然气燃烧比较充分，CO 的产生量较少，提高了居民取暖的安全性。但由于我国能源生产结构的制约，我国的天然气使用很大程度上依赖于进口，运输费用很高，导致了天然气的使用成本高于煤炭。近年来，国内外对其他清洁能源开发利用的研究较多，其中地热能因环境和经济效益明显，得到了广泛的关注。笔者对3 种供暖方式生命周期进行分析，对不同供暖方式的环境效益进行分析比较。

2.2 系统边界

燃煤供暖和天然气供暖(以燃气集中供暖为例)过程主要包括能源的开采、运输、燃烧、热力配送等4 个环节，地热能采暖主要包括项目建设和运行2 个阶段。对不同采暖方式的生命周期大气污染物排放量进行比较，系统的输入考虑能源的输入，主要包括煤炭、天然气、地热能等，而系统的输出主要考虑大气污染物的排放。系统的输入主要在建设期，由于涉及因素较多，因此建设期的输入和排放暂且不做分析。

2.3 清单分析

生命周期清单分析是进行生命周期评价的基础，通过清单的建立可以量化影响因素，针对各个过程建立功能单位在每个阶段的资源、能源消耗以及向环境的排放，形成产品系统对环境的影响清单。笔者研究所需要的污染物排放系数数据较多，而目前国内公开发布的官方资料中并没有研究需要的所有污染物排放系数的数据，因此一些研究数据只能从已发表的相关文献中获取，数据来源较分散，不可避免会产生一些误差。笔者基于等热值法对散煤、天然气、无干扰地热能3 种供暖方式在全生命周期的污染物排放进行比较，以1 t 散煤供暖量为标准分别计算出其余能源的使用量并进行污染物排放的计算，根据参考文献[3]，等值法的基本假设如表1 所示。

表1 等值法基本假设数据

2.3.1 燃煤供暖

燃煤供暖过程由矿井的开采、运输、锅炉燃烧及热力输送等4 个部分组成，开采期主要包括矿井的建设以及开采处理，由于矿井的建设涉及到较多材料，并且建设期较短，因此对建设期产生的污染暂且忽略不计。运输阶段的环境影响跟单位里程的能耗水平、污染物的排放系数、运输距离以及货物质量相关，我国煤炭主要是通过铁路运输，大多为柴油动力的机车，油耗约为0.002 64 kg/(t·km)，运输距离取我国煤炭运输平均距离700 km。计算污染物采用公式(1)和公式(2)：

式中：Ei——运输过程中污染物的排放量，kg；

Ki——1 t货物运输1 km时产生污染物i的质量，kg；

m—— 货物的质量，t；

L——运输的距离。km。

式中：ESO2——SO2排放量，kg；

Y——燃油消耗量，kg；

S——燃油含硫量，g/kg。

根据《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南》，铁路内燃机车PM2.5，PM10，NOx的排放系数分别为1.97，2.07，55.73 g/kg。同时根据《民用煤大气污染物排放清单编制(技术指南)》，烟煤原煤燃烧SO2，NOx，PM2.5，PM10的排放系数分别为2.7，1.1，1.4，2.2 kg/t。

2.3.2 天然气供暖

天然气供暖是以天然气为燃料，利用技术改造后的燃气锅炉进行集中采暖，与散煤燃烧供暖相比，天然气供暖的传热效率更高，同时大气污染物的排放量也更少。我国的天然气主要产于西部地区并通过管道运输，运输动力为电能。根据参考文献[6]，假设运输的平均距离为2 000 km，能耗取0.556 8 kJ/(m3·km)，等值法中324 m3的天然气产生的热能与1 t 散煤燃烧提供的热能一致。

天然气燃烧阶段SO2，CO 的排放数据来源于《燃料燃烧排放大气污染物物料衡算办法》。PM10，PM2.5数据来源于《大气可吸入颗粒物一次能源排放清单编制技术指南(试行)》、《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》。SO2排放量的计算见式(3)，其余污染物排放量计算式见式(4)。

SO2排放量：

式中：E'SO2——SO2排放量，kg；

V——天然气体积，m3；

φ(H2S)——天然气中H2S的体积分数，取值0.05%；

αi——污染物排放系数。

PM10的排放系数取值为0.03 g/m3，PM2.5的排放系数取值为0.03 g/m3，NOx采用国家标准取值为200 mg/m3。

2.3.3 无干扰地热供暖

无干扰地热供暖主要是通过向一定深度的地下高温岩石上钻井，然后在井内安装某种特种金属套管，通过套管系统内的热流体介质将地热传回地面，再通过换热系统将地热能转化为建筑物所需要的热量，最后再将换热介质注回，达到整个系统的密闭循环。

无干扰地热供暖的实现包括了供暖系统的建设阶段和运行阶段，这里暂且不计建设期内的投入与产出，运行阶段无干扰地热能供暖方式是仅靠电力驱动获得地下的地热能，因此在整个使用过程中只消耗了电能，以标准煤表示的能耗按照309 kg/kWh计算，循环性能系数(Coefficient of Performance，COP)取值5。

2.3.4 不同供能方式污染物排放量对比分析

通过计算得到3种供能方式的排放清单，见表2。

表2 各类能源的污染物排放 单位：g

由表2 可见：使用天然气和地热能比燃煤供暖具有明显的减排效果，环境效益明显。

3 层次分析法的应用

3.1 层次分析方法概述

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是美国运筹学家萨蒂于20 世纪70 年代初在为美国国防部研究电力分配问题时应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法。层次分析法的特点是在对复杂问题的本质、影响因素、及其内在关系进行深入分析的基础上将与决策有关的元素分解为目标、准则、方案等层次，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，为多目标的复杂问题提供简便的决策方法。

3.2 供暖方式效果评价体系的建立

3.2.1 层次结构模型的建立

目前采用的供暖方式各有其优点和不足，通过对燃煤采暖、天然气采暖、地热能采暖等供暖方式的全生命周期进行分析，得到了地热能供暖尤其是无干扰地热供暖方式有较好的环境效益，但评价供暖方式的优劣不仅要考虑环保性更涉及到经济性、安全性、供暖效果等多项指标，由于其中的一些指标无法进行精确的定量计算，只能进行简略的对比，因此采用层次分析法进行分析。上述4 种供暖方式及考察指标的层次结构模型见图1。

图1 供暖方案选择的层次结构

为了方便后面的计算，各个层次的因素采用对应的字母标记。第一层为目标层，用Z 表示；第二层为准则层，用A1、A2、A3、A4 分别对应经济性、环保性、安全性、供暖效果；第三层为方案层，用B1、B2、B3、B4 分别表示燃煤供暖、天然气供暖、地源热泵供暖和无干扰地热供暖。

3.2.2 判断矩阵的构建

判断矩阵是对于每一层次各因素的相对重要性给出的判断，一般采用1～9 标度法构建判断矩，通过打分的方式进行重要性衡量，打分值及含义见表3。根据上文分析、相关文献及实际情况，判断矩阵如表4 所示。

表3 1～9比例标度法

表4 Z-A判断矩阵

3.2.3 一致性检验及权重计算

一般认为判断矩阵的一致性检验结果由一致性比率CR来衡量，如果CR小于0.1，则认为通过一致性检验。

式中：CI为判断矩阵偏离一致性的指标，RI为平均随机一致性指标，与判断矩阵的阶数n 对应，λmax为判断矩阵的最大特征值。RI与n 对应关系见表5。

表5 RI与n对应关系

通过计算可得，矩阵A 的最大特征值为λmax=4.242 7，CI=0.080 9，CR=0.089 9＜0.1，由此可见通过了一致性检验，且该最大特征值对应的特征向量为ω={0.191 7，0.271 6，0.453 1，0.083 5}。然后对构造的比较矩阵B1 到B4 进行层次总排序的权重向量计算，并进行一致性检验，结果见表6。

表6 比较矩阵的权重向量及一致性检验

通过计算可得，一致性检验CR=0.017 9＜0.1，表示层次总排序通过了一致性检验。对B1，B2，B3，B4 对总目标权重值进行计算，结果见表7。

表7 比较矩阵对总目标权重值

由表7 可见：B1，B2，B3，B4 对总目标的权重值分别为0.254 2，0.231 5，0.257 7，0.271 0，表明B4 权重优先，即B4 代表的无干扰地热为最佳供暖方案。

4 地热能利用的优劣势分析

4.1 优势分析

1)我国地热资源储量丰富，潜力巨大。根据目前的调查数据推测，整个地球的地热能理论储备量是全部天然气、石油、煤炭的上亿倍。同时地热能属于清洁的可再生能源，浅层的地热能只需要利用很少的电能驱动就可以提供大量的能量用于制冷、供暖等，不会引起化石能源大量使用导致的环境污染、温室效应、酸雨等问题。

2)高效可靠。数据统计分析表明，地热能的利用系数是目前已知所有可再生能源中最高的。同时地热能稳定性强，太阳能、风能等清洁能源虽然同样可以达到节能环保的作用，但受气候条件的限制较大，而地热能则可以保持持续且稳定。

3)系统稳定。利用的是土壤中储存的稳定的地热能，主要来自于土壤对太阳能的吸收，热容量巨大。同时我国目前引用的土壤源热泵主要采用竖直埋管的方式，埋设位置比较深，因此土壤温度受地表气候影响非常小，保证了系统运行的稳定性。

4)环保效益明显。无干扰地热技术利用的是封闭的换热器内循环流动的介质带出地下的热能，取热但不取水，可以达到保护地下水的作用。同时抽取完地热能的介质又通过套管注回，避免了尾水热污染或地下采空的问题。

4.2 劣势分析

1)初期的投资成本比传统能源高。目前我国采用的传统供暖方式主要包括燃煤供暖、天然气供暖以及电采暖。地热能供暖与这些传统的供暖方式相比不论是前期的探测还是设备的投资都会导致地热资源的初始投资较高。

2)目前地热资源勘探较为落后。由于我国地热资源开发利用技术引入的时间比较短，加上市场投入不足，专业人才的培养也比较缺失，导致了目前我国在地热勘探方面还属于“就热找热”阶段，真正经过勘探评价的热田很少，地热能的动态检测和研究也只在极少数地方进行，导致大量的地热能未被勘测利用。

3)长期运行会导致地热的不平衡。热泵地下埋管系统在与土壤进行连续吸热放热的过程中，可能会导致土壤温度出现大幅度的波动，进而对地下局部土壤的热平衡造成破坏。一方面会直接影响热泵系统的性能，另一方面可能会导致土壤冻结的情况。

5 结论与建议

与其他供热方式相比，地热能供暖有较好的经济效益和环境效益，对解决环境问题和缓解能源危机具有重要作用。近年来，我国地热能的应用得到了快速的发展，但也出现了一些问题：①由于地热能供暖项目的初始投资较高，项目的投资回收期较长，造成投资规模有限，难以形成规模效益；②地热能资源的开发利用缺少统一的规划、勘探技术落后；③相关标准不健全。因此，需要采取如下措施大力推进地热能的利用。

1)加大政府支持。一方面要完善相关的法律法规，目前我国的地热资源的开发利用及其管理都在《中华人民共和国可再生能源法》的框架下，亟需出台专门的地热开发法规对地热资源的属性进行法律界定，明确各级管理部门的职能，为地热资源的管理提供法律依据。另一方面加大资金支持。从目前我国的发展情况来看，地热供暖主要靠企业的投入，虽然政府也有节能项目的无偿补助，但由于地热能的前期开发利用成本巨大，政策补助远远不能满足需求。因此需要政府引导及扶持，尽快出台具体补贴措施政策。

2)引进开发利用新技术，加强勘测监察。我国在进行地热能开发利用的时候应该学习目前先进的技术及理论，并结合实际情况进行改造和利用，加快地热能的发展。其次要加强对地热能的勘测监察工作，查明我国的资源分布及开发利用现状是进行科学规划的基础，通过建立全国地热能的监测信息系统利用现代信息技术对地热能的开发利用进行系统的规划和评价，避免资源的浪费。

3)由于我国对地热能的开发利用时间还较短，热泵技术应用时间不长，因此相关技术标准比较欠缺，而热泵技术又影响到对地热资源的利用效率，因此应加强相关的技术研究，促使热泵技术的发展，从而提高能源的利用效率。