浅层地热能资源供热制冷的节能减排效益分析

■ 张 博/余振国/白雪华/张超宇

（中国国土资源经济研究院，北京 101149）

浅层地热能资源供热制冷的节能减排效益分析

■ 张 博/余振国/白雪华/张超宇

（中国国土资源经济研究院，北京 101149）

我国浅层地温能资源丰富，其开发利用具有巨大的潜力，利用浅层地热能替代常规能源用于城市建筑的供暖和制冷能够有效地缓解城市生活能源使用的紧张状况。与普通供暖制冷方式相比较，地源热泵系统的初期建设投资费用较高，运行费用则相对偏低，具有一定的投资风险，但节能效果显著，替代常规能源的同时减少了大气污染物和温室气体的排放。在开发利用浅层地温能的过程中，为避免其带来的风险，应制定相应的风险管理和控制措施，保障浅层地热能得到科学、合理和有效地开发利用。

浅层地热能资源；供热；制冷；节能减排；效益

0 前言

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热与制冷已成为普遍现象，在发达国家中供热和制冷的能耗占到社会总能耗的25%-30%[1]。我国的能源结构仍主要依靠矿物燃料。矿物燃料燃烧产生的大量SO2等有害气体及CO2等温室气体，由矿物燃料引起的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。大力发展清洁、环保型能源，是“珍惜地球资源，转变发展方式”，应对供暖制冷对能源的巨大需求和社会环保要求的必然选择。

浅层地热能资源作为地热资源的一部分，具有良好的地质环境条件、温度调节能力和开发利用优势，是目前建筑物供暖制冷的理想清洁能源。此外，浅层地热能资源还可在农业水产养殖、温室栽培等多个领域得到广泛的应用。我国大部分地区都普遍赋存浅层地温能资源，但是目前开发利用浅层地热能资源的地区主要集中在辽宁、河北等少数地区，开发利用的规模也较小，很多地区并没有意识到浅层地热能资源的开发利用所带来的巨大的社会、经济和环境效益。

1 浅层地热能资源开发利用的节能减排效益

1.1 浅层地热能开发费用分析

浅层地热能开发利用工程费用主要由场地勘察、设计、施工、热泵系统建设、技术、设备、自动控制系统、浅层地热能动态远程监测网络系统等构成。

场地勘察、设计部分费用一般包括工程测量、岩土工程勘察、岩土工程设计与检测监测、水文地质勘察、工程水文气象勘察、工程物探、室内试验等工作费用。作为参考勘察设计费用一般不超过工程投资的30%。

热源部分（热泵系统）初期投资估算和系统运行维护投资估算，按冬季采暖120天，夏季制冷90天，以公建每天运行16小时，人员1人/0.5万m2。地埋管地源热泵系统初期投资包括埋管、热泵、泵房建设、末端自动控制系统和远程监测网络系统的建设投资，地下水地源热泵系统初期投资包括成井、热泵、泵房建设、末端自动控制系统和远程监测网络系统建设投资，一般面积越大，初投资越小，面积越小，初投资越大，地埋管地源热泵系统初期投资略高于地下水地源热泵系统初期投资。全年运行费用包括电费、人员费、资源费、维护费、管理费，其中夏季费用通常为冬季的2/3。

工程建设其他费用包括基本预备费和建设期贷款利息，参照《市政工程投资估算编制办法》计取。预备费按照上述两类费用之和的15%计列。

1.2 浅层地热能开发利用的节能效益

浅层地热能开发利用作为可再生能源利用的一种，其开发利用不仅能获得一定的经济收入，而且能够节约能源消耗、资源可循环利用。因此，其经济利益并不单纯是指开发利用所获得的经济收入，而应该是与常规能源利用相比所具有的经济价值。

根据这一定义可以将浅层地温资源开发利用带来的经济效益理解为浅层地热能利用的资源价值与开发、建设、运行和维护浅层地热能系统工程所投入的资源总量（人力资源、物力资源、财力资源）之比[2]。这一结果的好坏不仅决定浅层地热能热泵系统工程能否开展、是否有开发利用价值，而且很大程度上体现了浅层地热能开发利用工程中管理组织生产、运用科学知识的能力和水平。

因此，在计算浅层地热能的经济价值时，通常采用类比常规能源(燃煤)的方法进行折算[3]，计算公式如下：

式中：V——热资源价值(元)；

Qi——地下水式地源热泵系统和地埋管式地源热泵系统可采热资源量(kJ)；

m——热能有效利用率（按80%）；

q——热量（7000kcal/kg）；

h——锅炉热效率（80%）；

p——燃煤价格（元/t）；

δ——浅层地热能可利用系数（经验确定浅层地热能可利用系数为30%）。

参考一些地区浅层地热能资源的实际利用情况，测算出建设1万平方米公建项目利用地源热泵、燃煤锅炉+冷水机组和电锅炉+冷水机组三种方式供暖制冷的投资运行费用和能耗情况，地源热泵系统比燃煤锅炉+冷水机组节能45%以上，比电锅炉+冷水机组节能75%以上[3]，见下表。此外，在节约常规能源消耗的同时，有效减缓了城市的热岛效应，消除空调外挂机的使用和产生的噪音，有效改善城市居民的居住环境。

1.3 浅层地热能开发利用的减排效益

浅层地热能开发利用所带来的环境效益是开发浅层地热能资源替代了常规能源（用标准煤表示），减少常规能源的消耗，从而降低常规能源产生的大气污染物（煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等）的排放。

表1 10000m2公用建筑全年供暖制冷的费用对比

根据测算，1万平方米公用建筑用浅层地热能资源开发用于冬季供暖，可减少二氧化碳排放350-400吨；减少二氧化硫排放2-4吨；减少氮氧化物排放0.9-1.2吨；减少粉尘排放1.0-1.5吨[3]。可见，浅层地热能资源的开发利用不仅能缓解城市供热使用常规能源的紧缺状况，还可以在很大程度上改善空气环境质量，开发可利用浅层地热能资源量越大，带来的环境效益越显著。

2 浅层地热能资源开发利用优势与风险分析

2.1 优势

根据调查结果统计、计算，地下水地源热泵系统初始投资约为250-320元/m2，地埋管地源热泵系统初始投资约为320-458元/m2，城市集中供热管网初始投资费用为公建220元/m2、民建180元/m2左右[3]。因此，与供热管网投资相比，地源热泵系统初期投资高出约1-3倍。根据一些地区提供的资料，电力和市政供热项目投资回收期一般在12-15年，地热能开发利用项目约为20年。但是与常规燃煤供暖系统相比，浅层地热能开发项目节能约40%至60%，制冷系统节约电能10%-50%（分体空调10%，冷水机组50%左右），运行费用降低30%至70%，在近几年，煤、石油、天然气等能源价格持续增长的市场环境下，集中供热的运行费用和能源消耗大幅增加，相比之下浅层地热能利用优势凸显，有助于增加经济效益，缩短投资回收期。

2.2 风险估计

浅层地热能开发利用项目的风险主要是经济风险和环境风险。

从目前对浅层地热能开发利用项目的资金投入和管理上来看，经济风险主要是项目建设初期投入与建成后的收益风险，根据一些地区热泵示范工程的运行情况来看，地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统建设的初期投入资金较一般锅炉供暖系统和热电联产集中供热系统相比高出1-3倍，给项目建设单位带来了很大的负担。而且，浅层地热能开发利用工程初期巨大的投资造成资金回收期变长，使其在现行市场规则下缺乏竞争力。

环境风险主要是浅层地热能的开发造成地质环境的变化，主要体现在盲目建设地下水地源热泵系统导致系统运行性能降低、地热资源的浪费和地下水回灌困难加剧地面沉降，地埋管地源热泵系统建设没有考虑咸淡水界面的保护导致咸、淡水串层和地下水的污染等。

2.2.1 地下水地源热泵系统建设的风险估计

在一些开采利用地区，浅层地热能资源取自含水岩组以粘土和砂性土为主的含水层，由于岩石颗粒细，地下水地源热泵抽取的地下水经换热器后不能全部回灌到含水层，造成地下水资源的浪费，并引发地下水位持续下降，形成或者进一步加剧部分地区的地面沉降[4]。因此，必须严格遵循浅层地温能资源的开发利用原则建设回灌井，以回灌量确定开采量，回灌能力不能低于95%，并要加强对地下水位、地面沉降的动态监测。

2.2.2 地埋管地源热泵系统建设的风险估计

地埋管地源热泵系统普遍采用竖直埋管方式，在进行地埋管铺设等施工过程中打穿咸淡水之间存在的相对隔水层如果没有做好咸水底板处的封闭工作，咸水体会进入地下淡水含水层，导致咸、淡水串层，使地下淡水咸化，水质发生改变。因此在地埋管地源热泵系统建设地区要采取有效措施防治咸淡水的串层，并加强水质监测。

3 结论

我国浅层地温能资源丰富，其开发利用具有巨大的潜力，利用浅层地热能替代常规能源用于城市建筑的供暖和制冷能够有效地缓解城市生活能源使用的紧张状况。与普通供暖制冷方式相比较，地源热泵系统的初期建设投资费用较高，运行费用则相对偏低，具有一定的投资风险，但节能效果显著，替代常规能源的同时减少了SO2、氮氧化物、CO2等大气污染物和温室气体的排放。在开发利用浅层地温能的过程中，为避免其带来的风险，应制定相应的风险管理和控制措施，保障浅层地热能得到科学、合理和有效地开发利用。

[1]王立发,董殿伟.北京市浅层地温能资源评价及开发利用前景分析[A].地温资源与地源热泵技术应用论文集(第三集)[C].北京:地质出版社,2009:9-17.

[2]中国国土资源经济研究院.天津市浅层地热能资源开发利用规划编制研究专题报告[R].北京:中国国土资源经济研究院,2011.

[3]天津地热勘查开发设计院.天津市浅层地热能资源调查报告[R].天津:天津地热勘查开发设计院,2010.

[4]马凤如,林黎,等.天津地热资源现状与可持续性开发利用问题[J].地质调查与研究,2006(9):222-228.

F407.2；P314.2

C

1672-6995(2011)04-0024-02

2011-04-11

张博（1985—），女，山东省临沂市人，中国国土资源经济研究院研究实习员，工学硕士，主要研究方向环境经济。