低入住率地熱供暖投資運營策略及經(jīng)濟性分析

王培浩，田 鵬

（中國石化集團新星石油有限責任公司，北京100083）

北方地區(qū)清潔取暖[1]日益得到國家的高度重視，地熱資源作為一種現(xiàn)實并可靠的清潔能源能夠極大地解決這一問題[2-5]，但因其初始投資較高制約了其快速發(fā)展。同時，由于我國房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，導致部分區(qū)域尤其是縣級地區(qū)出現(xiàn)住宅小區(qū)空置率、入住率較低的情況，對供暖行業(yè)尤其是地熱供暖的運營效益造成較大影響[6]。因此，急需解決低入住率情況下，地熱供暖項目如何盈利問題。本文結(jié)合已實施的地熱供暖項目，針對不同入住率情況開展投資、運行策略研究，分析各種方案的經(jīng)濟性，對低入住率地區(qū)地熱資源開發(fā)有一定的指導意義。

1 項目概況

1.1 項目介紹

河南省新鄉(xiāng)市某居民小區(qū)地熱供暖項目總建筑面積11.8萬m2，于2013年建成入住，末端采用地板輻射采暖，供暖時間當年11月15日至次年3月15日。項目所在區(qū)域平均入住率為54%，其中交房3年以內(nèi)居民小區(qū)入住率約為30%，交房5年內(nèi)居民小區(qū)入住率約為45%，交房8年內(nèi)居民小區(qū)入住率約為70%。本項目2013年交房首年，入住率僅為25%，至2017年年底入住率約為45%，入住率較低，采用常規(guī)供暖設(shè)計對項目運行成本和經(jīng)濟效益有極大影響。

1.2 熱負荷

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》給出新鄉(xiāng)市的設(shè)計用室外氣象參數(shù)，見表1。

該項目建筑為按照節(jié)能建筑規(guī)范要求建設(shè)的節(jié)能建筑，根據(jù)新鄉(xiāng)市室外設(shè)計參數(shù)及建筑使用功能，冬季熱負荷指標取為40 W/m2，總熱負荷為4 720 kW，設(shè)計末端供回水溫度為45/35℃。

1.3 深層地熱資源條件

地熱井深約1 300 m，單井出水量80 m3/h，出水溫度50℃。靜水位35 m，動水位70 m。深層地熱水水質(zhì)優(yōu)良，回灌條件好，1采1灌可實現(xiàn)地熱資源的采灌均衡，可持續(xù)利用。

表1 新鄉(xiāng)市設(shè)計用室外氣象參數(shù)

2 方案比選及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案一：按全負荷設(shè)計供暖系統(tǒng)

為滿足所有建筑全部用熱負荷，充分利用深層地熱水，采用板式換熱器加兩級熱泵機組并聯(lián)梯級換熱的方式。地熱水經(jīng)一級板式換熱器，溫度由50℃降為37℃，單井可提供的熱量為Q1。

Q1＝k×G×?t＝1.163×80×（50–37）

＝ 1 209.52 kW

項目總熱負荷為4 720 kW，若按照1采1灌設(shè)置2口地熱井，不足熱負荷3 510.48 kW由兩級熱泵機組串聯(lián)提取地熱尾水熱量提供。熱泵機組COP為4.5，尾水回灌溫度約7.66℃，熱泵總輸入功率為780 kW。尾水經(jīng)過回灌設(shè)備處理后進行自然回灌。一級板換二次側(cè)循環(huán)水直接進入用戶末端供熱，滿足小區(qū)住宅的部分熱負荷，供、回水溫度分別為45/35℃（地板輻射采暖）；二級板換熱進水源熱泵保障熱泵正常運行供暖。系統(tǒng)流程 見圖1。

圖1 滿足全部負荷

2.2 方案二：按70%～80%負荷設(shè)計供暖系統(tǒng)

考慮當?shù)鼐用裥^(qū)入住率實際情況，按滿足70%負荷設(shè)計供暖系統(tǒng)。此時項目最大熱負荷可按照3 304 kW設(shè)計，單井可提供直供熱量仍為 1 209.52 kW，不足熱負荷2 094.48 kW由2臺熱泵機組提供。熱泵機組COP為5，尾水回灌溫度約為19℃。其余流程與方案1類似。系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 滿足70%～80%負荷

2.3 方案三：地熱直供滿足全部熱負荷

不采用梯級利用方式全部利用地熱一級板換二次側(cè)循環(huán)水供暖，地熱井單井直供熱量為 1 209.52 kW，滿足全部用熱負荷4 720 kW，在滿足回灌要求的情況下需鉆井8口（4采4灌）。雖然可顯著降低運行成本，但系統(tǒng)投資造價過高，全部采用地熱直供不現(xiàn)實且不經(jīng)濟?；谌胱÷实偷膶嶋H情況，考慮采用2采2灌方式。此時地熱井可提供總熱量為2 419.04 kW，占總負荷的51%。系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 純地熱

2.4 方案四：按實際入住率適時擴容

按照初始入住率30%配置1采1灌2口地熱井，此后隨著入住率的增加適時增配熱泵機組。此種方式能夠最大限度地節(jié)約投資，同時降低運行成本。但需要提前預留供熱站空間和配電余量，以便開展后續(xù)設(shè)備的安裝。系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 適時擴容

3 系統(tǒng)運行策略

3.1 30% 入住率

當小區(qū)入住率為30%時，地熱井1采1灌基本能夠滿足居民用熱需求。此時僅開啟地熱井深井電潛泵、一級板換二次側(cè)循環(huán)泵、補水泵，系統(tǒng)運行效率最高，運行成本最低，但因入住率低導致熱損嚴重，能耗較大。

3.2 50% 入住率

當小區(qū)入住率為50%時，針對方案1中所示系統(tǒng)，地熱井直供可承擔基礎(chǔ)熱負荷，其余熱負荷由一級熱泵機組承擔。此時需開啟地熱井深井潛水泵、一級板換二次側(cè)循環(huán)泵、補水泵、二級板換熱泵循環(huán)泵、一級熱泵、熱泵補水泵等設(shè)備。此時，因一級熱泵機組基本處于滿負荷運行，運行效率仍較高。針對方案2中所示系統(tǒng)，地熱井直供承擔基礎(chǔ)熱負荷，其余熱負荷由熱泵機組承擔，此時系統(tǒng)開啟與方案1類似，但因熱泵機組處于部分負荷運行，運行效率一般。針對方案3中所示系統(tǒng)，地熱井2采2灌能夠滿足50%熱負荷，此時，系統(tǒng)開啟與30%入住率類似。此時系統(tǒng)運行效率最高，運行成本最低，因入住率有一定上升，熱損較小。

3.3 70% 入住率

當小區(qū)入住率為70%時，針對方案1中所示系統(tǒng)，相對于50%入住率需開啟二級熱泵，此時二級熱泵出力為50%，運行效率一般；針對方案2中所示系統(tǒng)，為滿負荷運行；方案3中系統(tǒng)不能滿足70%負荷用暖需求，但可以通過站內(nèi)改造安裝熱泵機組實現(xiàn)供暖，但此時改動較大，對站內(nèi)安裝空間要求較高。

3.4 100% 入住率

當小區(qū)入住率為100%時，僅方案1中系統(tǒng)可滿足居民正常用暖需求，方案2、3所示系統(tǒng)均需實施站內(nèi)改造才能正常供暖。根據(jù)目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，新鄉(xiāng)市入住率達到100%的小區(qū)很少。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟性評估

4.1 投資分析

基于上述4種建設(shè)方案，根據(jù)該項目實際投產(chǎn)時投資情況分別進行經(jīng)濟性比較，如表2所示。由表2可知，方案4投資最少但后續(xù)站內(nèi)改造擴容工作量較多，要求運營公司具有較高的技術(shù)、管理和改造水平，同時需要較大的站房面積。方案3投資次之，且能夠滿足50%入住率，但鉆井數(shù)量較多，需要落實合適的鉆井井位。方案2能夠滿足70%負荷，具有較強的可操作性，若5年內(nèi)入住率能夠升高至50%～70%可采用方案2，若入住率增高幅度較慢建議選擇方案4。方案5為項目實際投資，滿足100%負荷，項目建設(shè)較早，方案未優(yōu)化投資導致投資較高。

表2 各方案的經(jīng)濟性比較

4.2 運行成本分析

結(jié)合系統(tǒng)運行策略，分析不同入住率時運行成本見表3。由表3可知，入住率較低時運行成本也較低，但因存在較大熱損導致單位供暖面積成本依然較高。若入住率持續(xù)維持在30%左右，則推薦使用方案4，若入住率有望增加值50%，推薦使用方案3。

表3 不同入住率時運行成本 萬元

4.3 實際運行成本分析

根據(jù)該居民小區(qū)實際建設(shè)、入住和用暖情況，統(tǒng)計其自2013年項目建成至2017–2018年采暖季運行成本情況，如表4所示。在運行初期，因系統(tǒng)初次投運，運行成本較高，后續(xù)經(jīng)過優(yōu)化運行成本有所降低。但因該項目實施為完全投入，熱損較大，相對比方案3、4中運行成本仍較高。當入住率達到45%后，運行成本才基本與方案3的成本持平。

表4 實際不同入住率時運行成本 萬元

5 結(jié)語

1）縣域區(qū)域由于其自身經(jīng)濟容量和人口外流等因素，房地產(chǎn)快速發(fā)展導致入住率不高，對于采用地熱供暖這種初投資較大的供暖形式來說經(jīng)濟效益較難保障，需要在實施過程中高度關(guān)注投資風險。

2）若入住率增幅不高，或每年增幅在5%左右時，建議采用方案3或方案4，即全部考慮純地熱供暖方式，后續(xù)隨著入住率的提高逐步擴容以最大限度降低初始投資和熱損，減少運行成本。

3）中低溫地熱資源區(qū)域應結(jié)合建筑需求和入住率情況，合理布局地熱供暖站房，預留設(shè)備擴容空間。分期建設(shè)，確保項目投資收益。