地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性主控因素分析
——以天津地區(qū)為例

■ 茹洪久/趙蘇民

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

0 引言

地球是一個(gè)龐大的熱庫(kù)，熱能巨大。天津市利用地?zé)徇M(jìn)行供暖面積已達(dá)2773萬(wàn)m2，最早的地?zé)峋脤⒔?0年。實(shí)踐證明地?zé)崮芄┡夹g(shù)成熟，優(yōu)勢(shì)明顯[1]。但地?zé)豳Y源是受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制的本土資源，地下資源條件的優(yōu)劣以及人們對(duì)地?zé)崮芾盟降牟煌?，致使地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性差異較大。本文以天津地區(qū)某單井供暖20萬(wàn)m2居民住宅項(xiàng)目為例，分析了鉆井深度、運(yùn)行方式、水位變化等主要因素對(duì)地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性的影響，提出了增加地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性的措施，以期對(duì)科學(xué)、高效利用地?zé)豳Y源，加強(qiáng)能源安全提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論參考。

1 地?zé)峁┡瘍?yōu)勢(shì)

1.1 技術(shù)成熟

目前常見(jiàn)地?zé)崂眯问綖樗疅嵝?，主要采用鉆井將地下熱水提升至地面，通過(guò)熱交換設(shè)備將熱量輸送給各用戶。其中地?zé)峋@鑿技術(shù)、換熱技術(shù)、熱泵技術(shù)都非常成熟；地?zé)峁┡O(shè)備性能、設(shè)計(jì)、施工水平較高；地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，供暖效果舒適宜人。同時(shí)，地?zé)峁┡到y(tǒng)節(jié)能效果明顯，以熱能利用率為例，普通燃煤鍋爐最高在60%～70%，地?zé)岵捎脽岜眉夹g(shù)對(duì)尾水進(jìn)行熱量回收，降低排水溫度，熱能利用率普遍能夠達(dá)到90%以上。并且還可根據(jù)需要，與其它調(diào)峰能源結(jié)合使用，進(jìn)一步擴(kuò)大供暖面積，方便靈活，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性最佳。

1.2 經(jīng)濟(jì)效益顯著

地?zé)峁┡臒崮軄?lái)自于地下，供暖過(guò)程中不受天氣狀況影響，也不受化石能源價(jià)格波動(dòng)的影響，不需要大規(guī)模購(gòu)買燃料。前期投入主要是鉆井費(fèi)用和供暖設(shè)備購(gòu)置。地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行中，地?zé)崮芡鳛榛矩?fù)荷能使用，與熱泵、燃?xì)獾日{(diào)峰能源結(jié)合，可進(jìn)一步擴(kuò)大供暖面積。主要支出為電費(fèi)、相對(duì)較低的運(yùn)行和維修費(fèi)用。所以說(shuō)，地?zé)峁┡度氘a(chǎn)出比高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.3 綠色環(huán)?？沙掷m(xù)利用

地?zé)峁┡?jié)約了大量的燃煤，避免了燃煤鍋爐的廢氣、廢渣對(duì)周圍環(huán)境的污染。地?zé)峁┡捎瞄g供模式[2]，地?zé)崃黧w除熱能被交換出之外，物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)很少變化，是地?zé)峄毓嗟淖罴阉?。管理上往往采用集中供暖的方式，?jiān)持“熱能梯級(jí)利用、流體循環(huán)利用”（尾水回灌）的原則[3]，熱能利用率和節(jié)能效果有很大提高，體現(xiàn)了地?zé)豳Y源的可再生屬性，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)利用。

2 地?zé)峁┡?jīng)濟(jì)性主控因素分析

一個(gè)地?zé)峋嵴镜慕ㄔO(shè)，主要包括熱源部分，即地?zé)峋ㄔO(shè)；其次為供熱泵房和末端散熱部分。目前常見(jiàn)的地?zé)崂眯问綖樗疅嵝停饕捎勉@井將地下熱水提升至地面，通過(guò)供熱站房熱交換器將熱量換出，循環(huán)泵將獲得熱量后的循環(huán)水通過(guò)集水器、分水器、散熱器等設(shè)備輸送給用戶。對(duì)一個(gè)供暖面積相對(duì)固定的供暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，泵房、末端的總投資和其本身的運(yùn)行成本相對(duì)變化較小，因此，一個(gè)地?zé)峋嵴镜耐顿Y、運(yùn)行成本及投資回收期主要取決于地?zé)峋従M(fèi)用、熱源質(zhì)量（穩(wěn)定的流量和溫度）及供暖設(shè)計(jì)水平等。

本文以天津地區(qū)一個(gè)20萬(wàn)m2居民住宅采用地?zé)峁┡癁槔M(jìn)行具體分析。

2.1 基本情況

供暖對(duì)象為居民住宅，面積20萬(wàn)m2，建筑熱耗指標(biāo)48W/m2，總供熱負(fù)荷9600kW；末端為低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，供熱參數(shù)45℃/35℃（建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)不同、供暖方式不同，供暖負(fù)荷和參數(shù)也會(huì)有差異）。開鑿地?zé)釋?duì)井作為熱源，采灌對(duì)井鉆井深度均為3000m，目的層為薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)，開采井井口出水溫度85℃，出水量100m3/h，回灌井能夠?qū)崿F(xiàn)百分之百自然回灌。

地?zé)峁崮芰浪悖旱責(zé)崴患?jí)利用尾水降低至38℃，可產(chǎn)熱5465kW；二級(jí)利用地?zé)嵛菜档椭?0℃，水源熱泵COP=4.5，其中，利用的地?zé)嵊酂?256kW，熱泵電功率930kW，二級(jí)利用產(chǎn)熱4186kW；兩級(jí)利用合計(jì)產(chǎn)熱量9651kW，能夠滿足用戶需求。地?zé)峁┡鞒桃?jiàn)圖1。

圖1 地?zé)峁┡鞒?/p>

2.2 總投資分析

地?zé)峁峁こ掏顿Y主要包括地?zé)峋⒌責(zé)峁嵴竞湍┒讼到y(tǒng)三部分。由于末端系統(tǒng)費(fèi)用一般含在主體建筑費(fèi)用中，在此不予考慮。地?zé)峁峁こ掏顿Y估算如表1所示。

表1 地?zé)峁峁こ掏顿Y估算

從表1中可以看出，地?zé)峁嵴境跬顿Y約為127.4元/m2，同樣供熱20萬(wàn)m2的其他能源，燃煤供熱站初投資為958萬(wàn)元，單位面積投資額約折合47.9元/m2，燃?xì)夤嵴境跬顿Y為672萬(wàn)元，單位面積投資額約為33.6元/m2，三者對(duì)比地?zé)峁岬某跏纪顿Y明顯較高。

在較高的地?zé)峁岢跏纪顿Y中，地?zé)釤嵩凑伎偼顿Y比例為50.4%。其中地質(zhì)勘查費(fèi)、探礦權(quán)收益和監(jiān)理費(fèi)用占比較小，地?zé)釤嵩凑伎偼顿Y的比例主要受3000m深地?zé)峋蔫従M(fèi)用影響。如果地?zé)岬刭|(zhì)條件較好，開鑿出相同流體質(zhì)量的熱儲(chǔ)層埋藏變淺，鑿井深度分別按2500m、2000m計(jì)算，鑿井費(fèi)用仍按1666.7元/m計(jì)算，則對(duì)井鑿井費(fèi)用分別為833.4萬(wàn)元、666.8萬(wàn)元，地?zé)釤嵩凑伎偼顿Y比例分別為46.67%、42.14%。如果地?zé)岬刭|(zhì)條件較差，開鑿出相同流體質(zhì)量的熱儲(chǔ)層埋藏變深，鑿井深度按4000m計(jì)算，或者需要2對(duì)2000m地?zé)峋拍軡M足用戶需求，總的鑿井進(jìn)尺為8000m，費(fèi)用仍按1666.7元/m計(jì)算，則鑿井費(fèi)用為1333.36萬(wàn)元（以上計(jì)算均未考慮井深變化對(duì)應(yīng)的鑿井價(jià)格的變化），地?zé)釤嵩磋従M(fèi)用占總投資比例增加到63.24%。

因此，在總投資方面要提高地?zé)峁┡慕?jīng)濟(jì)性，主要是要求地?zé)崮芄┡夹g(shù)成熟，優(yōu)勢(shì)明顯。對(duì)控制點(diǎn)要做好前期地?zé)峋尚行苑治雠c論證，必要時(shí)投入一定的地?zé)峥辈楣ぷ鳎滟M(fèi)用占比不大，但對(duì)地?zé)峁┡慕?jīng)濟(jì)性影響會(huì)很大。

2.3 運(yùn)行費(fèi)用分析

對(duì)地?zé)峁嵴具\(yùn)行成本進(jìn)行估算，結(jié)果如表2所示。

表2 地?zé)峁峁こ踢\(yùn)行成本估算

從表2中可以看出，地?zé)峁┡\(yùn)行成本中，折舊費(fèi)用占比33%～36%，電費(fèi)占比37%～41%，人員工資、資源稅、水費(fèi)、維修管理費(fèi)等合計(jì)占比30%～23%[4]。折舊費(fèi)和人員工資成本相對(duì)固定，運(yùn)行成本變化點(diǎn)主要在熱源稅和電費(fèi)方面。

2.3.1 主控因素分析

建筑物的平均供熱指標(biāo)取為40kcal／(m2·h)，每年供暖四個(gè)月，共120天，每天24h連續(xù)供暖，則每平米建筑面積一年的總供熱量為0.4823GJ。按地?zé)豳Y源為居民住宅供熱，回灌條件下地?zé)豳Y源稅占比為0.84元/m2，不回灌條件下地?zé)豳Y源稅占比為2.30元/m2（天津地?zé)豳Y源稅規(guī)定）。如果利用熱電聯(lián)產(chǎn)供熱，按28元/GJ計(jì)算（現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查），則供熱熱源費(fèi)用為13.5元/m2。若采用燃?xì)忮仩t供暖，鍋爐效率為0.85，天然氣的熱值為8400kcal／Nm3，則鍋爐每年為每平米供熱面積所耗的熱量為0.5674GJ[5]，則供熱熱源費(fèi)用約為35.5元/m2。

可見(jiàn)，地?zé)峁┡闹饕卣魇浅跬顿Y高而運(yùn)行成本低。為縮短高投資的回收期，就要進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。降低運(yùn)行成本的主控因素在熱源費(fèi)用占比較高的回灌和用電量控制方面。

2.3.2 回灌控制因素

依據(jù)采暖度日數(shù)估算得到本項(xiàng)目供暖20萬(wàn)m2，地?zé)峋塾?jì)開采量為22.975萬(wàn)m3。如果不回灌，稅率為2.0元/m3，供暖熱源稅成本45.95萬(wàn)元，所占運(yùn)行成本比例為14.1%；如果實(shí)現(xiàn)回灌，回灌部分稅率為0.7元/m3，本項(xiàng)目能夠百分之百回灌，供暖熱源稅成本為16.08萬(wàn)元，占總運(yùn)行成本的5.4%?？晒?jié)約運(yùn)行費(fèi)用近30萬(wàn)元，運(yùn)行成本降低8.7%。

2.3.3 電費(fèi)控制因素

地?zé)峋好嫠宦裆罴哟螅瑫?huì)造成提水設(shè)備電能消耗增大。當(dāng)超出配套設(shè)備的極限后，還會(huì)涉及部分配套設(shè)備的更換。目前地?zé)峋脫P(yáng)程多為160m，功率為75kW，按供暖期持續(xù)運(yùn)行、供暖面積為20萬(wàn)m2計(jì)算，每年地?zé)峋玫碾娰M(fèi)成本為2.07元/m2（現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查）。未來(lái)極限水位埋深按300m考慮，水泵電機(jī)功率為140kW，與現(xiàn)狀相比，其電費(fèi)成本高出1.79元/m2；按增加20萬(wàn)元配套設(shè)備、折舊10年計(jì)算，其電費(fèi)成本將為3.86元/m2，比現(xiàn)在高出1.79元/m2（表3）[6]。

表3 水泵揚(yáng)程增加后電費(fèi)成本估算

由于資源品位、利用規(guī)模及工藝水平等不同，目前地?zé)峁┡瘑挝坏倪\(yùn)行成本差異較大，一般為13～23元/m2。運(yùn)行成本若增加1.79元/m2，一些運(yùn)行成本偏高的單位可能難以承受，而運(yùn)行成本偏低的單位則降低了部分利潤(rùn)。

降低電費(fèi)的一個(gè)途徑是保持水位較緩慢地下降，另一個(gè)途徑是科學(xué)合理選取循環(huán)泵等耗電設(shè)備參數(shù)，最好選用變頻系統(tǒng)控制，能更好地節(jié)省整個(gè)供熱系統(tǒng)的耗電成本。

因此，做好地?zé)峁┡菜毓?，必要時(shí)開展地表水回灌，維持熱儲(chǔ)壓力，保持較高的水位對(duì)供熱單位降低運(yùn)行成本、提高經(jīng)濟(jì)性是很重要的。

3 社會(huì)效益評(píng)價(jià)

社會(huì)效益評(píng)價(jià)就是要按照資源最優(yōu)配置的原則，評(píng)價(jià)項(xiàng)目對(duì)國(guó)家和社會(huì)發(fā)展目標(biāo)所做的貢獻(xiàn)和產(chǎn)生的影響。

3.1 地?zé)豳Y源利用率

利用地?zé)崮芄┡?jié)約了煤、石油等不可再生的化石燃料，也緩解了城市交通運(yùn)輸壓力，有利于我國(guó)資源的可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)未來(lái)能源技術(shù)的發(fā)展方向。

本文所選示例工程采用了地?zé)豳Y源開發(fā)循環(huán)利用集約化供熱工藝，極大地提高了地?zé)豳Y源的利用率，實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的最優(yōu)配置。地?zé)崂寐剩é牵┑扔诘責(zé)釋?shí)際供熱量/地?zé)峥晒崃?，?jì)算公式如下：

式（1）中：η為地?zé)崂寐剩?），G為地?zé)峁┧髁?kg/s)，C為地?zé)崴葻?kJ/kg·℃)，tg、th分別為地?zé)峁┧疁囟龋?5℃）、地?zé)嵛菜疁囟龋?0℃）；t0為地?zé)嵊?jì)算最低排水溫度（根據(jù)國(guó)外低溫地?zé)豳Y源的評(píng)價(jià)方法，一般按當(dāng)?shù)啬昶骄彝鈿鉁赜?jì)算。天津地區(qū)年平均室外氣溫12.2℃，因此取t0=12℃）。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，地?zé)豳Y源的利用率η=100%。

3.2 社會(huì)評(píng)價(jià)

地?zé)豳Y源開發(fā)利用采用集約化供熱工藝，最大程度地減少了廢氣廢物的排放，節(jié)約了城市污染的治理費(fèi)用，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。同時(shí)為居民提供了優(yōu)美、舒適的生活和辦公環(huán)境，符合公眾利益，有著十分積極的社會(huì)意義。

取燃煤鍋爐燃燒和供熱的綜合效率為60%，原煤熱值為5000 kcal/kg，則節(jié)約原煤量為7892噸/季，（參見(jiàn)表4）[7]。

表4 環(huán)保效益一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

從前文的分析計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

(1)地?zé)峁┡夹g(shù)成熟，優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)地?zé)峁┡跬顿Y高，需做好地?zé)岬刭|(zhì)論證，選擇鑿井深度小、熱流體質(zhì)量好的熱儲(chǔ)可降低初投資占比。

(3)降低運(yùn)行成本的主控因素是地?zé)豳Y源稅和運(yùn)行電費(fèi)。措施是實(shí)現(xiàn)地?zé)嵛菜?00%回灌，維持熱儲(chǔ)壓力和選用變頻電器設(shè)備。

(4)地?zé)峁┡茉蠢孟禂?shù)較高，節(jié)能減排效果明顯，社會(huì)效益較好。

值得指出的是，地?zé)峁┡艿責(zé)豳Y源條件、開發(fā)利用政策、供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、供暖規(guī)模以及建筑物結(jié)構(gòu)維護(hù)體系等多因素制約，不同地區(qū)甚至同一地區(qū)不同開發(fā)利用單位之間的經(jīng)濟(jì)性都有很大差別，本文的分析與計(jì)算都是假設(shè)在最理想狀態(tài)下，結(jié)論僅供參考。