淺層地?zé)崮苜Y源供熱制冷的節(jié)能減排效益分析

■ 張 博/余振國/白雪華/張超宇

（中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149）

淺層地?zé)崮苜Y源供熱制冷的節(jié)能減排效益分析

■ 張 博/余振國/白雪華/張超宇

（中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149）

我國淺層地溫能資源豐富，其開發(fā)利用具有巨大的潛力，利用淺層地?zé)崮芴娲Ｒ?guī)能源用于城市建筑的供暖和制冷能夠有效地緩解城市生活能源使用的緊張狀況。與普通供暖制冷方式相比較，地源熱泵系統(tǒng)的初期建設(shè)投資費(fèi)用較高，運(yùn)行費(fèi)用則相對(duì)偏低，具有一定的投資風(fēng)險(xiǎn)，但節(jié)能效果顯著，替代常規(guī)能源的同時(shí)減少了大氣污染物和溫室氣體的排放。在開發(fā)利用淺層地溫能的過程中，為避免其帶來的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理和控制措施，保障淺層地?zé)崮艿玫娇茖W(xué)、合理和有效地開發(fā)利用。

淺層地?zé)崮苜Y源；供熱；制冷；節(jié)能減排；效益

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱與制冷已成為普遍現(xiàn)象，在發(fā)達(dá)國家中供熱和制冷的能耗占到社會(huì)總能耗的25%-30%[1]。我國的能源結(jié)構(gòu)仍主要依靠礦物燃料。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量SO2等有害氣體及CO2等溫室氣體，由礦物燃料引起的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。大力發(fā)展清潔、環(huán)保型能源，是“珍惜地球資源，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式”，應(yīng)對(duì)供暖制冷對(duì)能源的巨大需求和社會(huì)環(huán)保要求的必然選擇。

淺層地?zé)崮苜Y源作為地?zé)豳Y源的一部分，具有良好的地質(zhì)環(huán)境條件、溫度調(diào)節(jié)能力和開發(fā)利用優(yōu)勢，是目前建筑物供暖制冷的理想清潔能源。此外，淺層地?zé)崮苜Y源還可在農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室栽培等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。我國大部分地區(qū)都普遍賦存淺層地溫能資源，但是目前開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的地區(qū)主要集中在遼寧、河北等少數(shù)地區(qū)，開發(fā)利用的規(guī)模也較小，很多地區(qū)并沒有意識(shí)到淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用所帶來的巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

1 淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用的節(jié)能減排效益

1.1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)費(fèi)用分析

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程費(fèi)用主要由場地勘察、設(shè)計(jì)、施工、熱泵系統(tǒng)建設(shè)、技術(shù)、設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)、淺層地?zé)崮軇?dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等構(gòu)成。

場地勘察、設(shè)計(jì)部分費(fèi)用一般包括工程測量、巖土工程勘察、巖土工程設(shè)計(jì)與檢測監(jiān)測、水文地質(zhì)勘察、工程水文氣象勘察、工程物探、室內(nèi)試驗(yàn)等工作費(fèi)用。作為參考勘察設(shè)計(jì)費(fèi)用一般不超過工程投資的30%。

熱源部分（熱泵系統(tǒng)）初期投資估算和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)投資估算，按冬季采暖120天，夏季制冷90天，以公建每天運(yùn)行16小時(shí)，人員1人/0.5萬m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)初期投資包括埋管、熱泵、泵房建設(shè)、末端自動(dòng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)投資，地下水地源熱泵系統(tǒng)初期投資包括成井、熱泵、泵房建設(shè)、末端自動(dòng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)投資，一般面積越大，初投資越小，面積越小，初投資越大，地埋管地源熱泵系統(tǒng)初期投資略高于地下水地源熱泵系統(tǒng)初期投資。全年運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、人員費(fèi)、資源費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)，其中夏季費(fèi)用通常為冬季的2/3。

工程建設(shè)其他費(fèi)用包括基本預(yù)備費(fèi)和建設(shè)期貸款利息，參照《市政工程投資估算編制辦法》計(jì)取。預(yù)備費(fèi)按照上述兩類費(fèi)用之和的15%計(jì)列。

1.2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的節(jié)能效益

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用作為可再生能源利用的一種，其開發(fā)利用不僅能獲得一定的經(jīng)濟(jì)收入，而且能夠節(jié)約能源消耗、資源可循環(huán)利用。因此，其經(jīng)濟(jì)利益并不單純是指開發(fā)利用所獲得的經(jīng)濟(jì)收入，而應(yīng)該是與常規(guī)能源利用相比所具有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

根據(jù)這一定義可以將淺層地溫資源開發(fā)利用帶來的經(jīng)濟(jì)效益理解為淺層地?zé)崮芾玫馁Y源價(jià)值與開發(fā)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)淺層地?zé)崮芟到y(tǒng)工程所投入的資源總量（人力資源、物力資源、財(cái)力資源）之比[2]。這一結(jié)果的好壞不僅決定淺層地?zé)崮軣岜孟到y(tǒng)工程能否開展、是否有開發(fā)利用價(jià)值，而且很大程度上體現(xiàn)了淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程中管理組織生產(chǎn)、運(yùn)用科學(xué)知識(shí)的能力和水平。

因此，在計(jì)算淺層地?zé)崮艿慕?jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)，通常采用類比常規(guī)能源(燃煤)的方法進(jìn)行折算[3]，計(jì)算公式如下：

式中：V——熱資源價(jià)值(元)；

Qi——地下水式地源熱泵系統(tǒng)和地埋管式地源熱泵系統(tǒng)可采熱資源量(kJ)；

m——熱能有效利用率（按80%）；

q——熱量（7000kcal/kg）；

h——鍋爐熱效率（80%）；

p——燃煤價(jià)格（元/t）；

δ——淺層地?zé)崮芸衫孟禂?shù)（經(jīng)驗(yàn)確定淺層地?zé)崮芸衫孟禂?shù)為30%）。

參考一些地區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源的實(shí)際利用情況，測算出建設(shè)1萬平方米公建項(xiàng)目利用地源熱泵、燃煤鍋爐+冷水機(jī)組和電鍋爐+冷水機(jī)組三種方式供暖制冷的投資運(yùn)行費(fèi)用和能耗情況，地源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐+冷水機(jī)組節(jié)能45%以上，比電鍋爐+冷水機(jī)組節(jié)能75%以上[3]，見下表。此外，在節(jié)約常規(guī)能源消耗的同時(shí)，有效減緩了城市的熱島效應(yīng)，消除空調(diào)外掛機(jī)的使用和產(chǎn)生的噪音，有效改善城市居民的居住環(huán)境。

1.3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的減排效益

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用所帶來的環(huán)境效益是開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源替代了常規(guī)能源（用標(biāo)準(zhǔn)煤表示），減少常規(guī)能源的消耗，從而降低常規(guī)能源產(chǎn)生的大氣污染物（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費(fèi)用對(duì)比

根據(jù)測算，1萬平方米公用建筑用淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)用于冬季供暖，可減少二氧化碳排放350-400噸；減少二氧化硫排放2-4噸；減少氮氧化物排放0.9-1.2噸；減少粉塵排放1.0-1.5噸[3]。可見，淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用不僅能緩解城市供熱使用常規(guī)能源的緊缺狀況，還可以在很大程度上改善空氣環(huán)境質(zhì)量，開發(fā)可利用淺層地?zé)崮苜Y源量越大，帶來的環(huán)境效益越顯著。

2 淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用優(yōu)勢與風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 優(yōu)勢

根據(jù)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，地下水地源熱泵系統(tǒng)初始投資約為250-320元/m2，地埋管地源熱泵系統(tǒng)初始投資約為320-458元/m2，城市集中供熱管網(wǎng)初始投資費(fèi)用為公建220元/m2、民建180元/m2左右[3]。因此，與供熱管網(wǎng)投資相比，地源熱泵系統(tǒng)初期投資高出約1-3倍。根據(jù)一些地區(qū)提供的資料，電力和市政供熱項(xiàng)目投資回收期一般在12-15年，地?zé)崮荛_發(fā)利用項(xiàng)目約為20年。但是與常規(guī)燃煤供暖系統(tǒng)相比，淺層地?zé)崮荛_發(fā)項(xiàng)目節(jié)能約40%至60%，制冷系統(tǒng)節(jié)約電能10%-50%（分體空調(diào)10%，冷水機(jī)組50%左右），運(yùn)行費(fèi)用降低30%至70%，在近幾年，煤、石油、天然氣等能源價(jià)格持續(xù)增長的市場環(huán)境下，集中供熱的運(yùn)行費(fèi)用和能源消耗大幅增加，相比之下淺層地?zé)崮芾脙?yōu)勢凸顯，有助于增加經(jīng)濟(jì)效益，縮短投資回收期。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)主要是經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

從目前對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項(xiàng)目的資金投入和管理上來看，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)主要是項(xiàng)目建設(shè)初期投入與建成后的收益風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)一些地區(qū)熱泵示范工程的運(yùn)行情況來看，地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)的初期投入資金較一般鍋爐供暖系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)相比高出1-3倍，給項(xiàng)目建設(shè)單位帶來了很大的負(fù)擔(dān)。而且，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程初期巨大的投資造成資金回收期變長，使其在現(xiàn)行市場規(guī)則下缺乏競爭力。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要是淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)造成地質(zhì)環(huán)境的變化，主要體現(xiàn)在盲目建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行性能降低、地?zé)豳Y源的浪費(fèi)和地下水回灌困難加劇地面沉降，地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)沒有考慮咸淡水界面的保護(hù)導(dǎo)致咸、淡水串層和地下水的污染等。

2.2.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

在一些開采利用地區(qū)，淺層地?zé)崮苜Y源取自含水巖組以粘土和砂性土為主的含水層，由于巖石顆粒細(xì)，地下水地源熱泵抽取的地下水經(jīng)換熱器后不能全部回灌到含水層，造成地下水資源的浪費(fèi)，并引發(fā)地下水位持續(xù)下降，形成或者進(jìn)一步加劇部分地區(qū)的地面沉降[4]。因此，必須嚴(yán)格遵循淺層地溫能資源的開發(fā)利用原則建設(shè)回灌井，以回灌量確定開采量，回灌能力不能低于95%，并要加強(qiáng)對(duì)地下水位、地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

2.2.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)普遍采用豎直埋管方式，在進(jìn)行地埋管鋪設(shè)等施工過程中打穿咸淡水之間存在的相對(duì)隔水層如果沒有做好咸水底板處的封閉工作，咸水體會(huì)進(jìn)入地下淡水含水層，導(dǎo)致咸、淡水串層，使地下淡水咸化，水質(zhì)發(fā)生改變。因此在地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)地區(qū)要采取有效措施防治咸淡水的串層，并加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測。

3 結(jié)論

我國淺層地溫能資源豐富，其開發(fā)利用具有巨大的潛力，利用淺層地?zé)崮芴娲Ｒ?guī)能源用于城市建筑的供暖和制冷能夠有效地緩解城市生活能源使用的緊張狀況。與普通供暖制冷方式相比較，地源熱泵系統(tǒng)的初期建設(shè)投資費(fèi)用較高，運(yùn)行費(fèi)用則相對(duì)偏低，具有一定的投資風(fēng)險(xiǎn)，但節(jié)能效果顯著，替代常規(guī)能源的同時(shí)減少了SO2、氮氧化物、CO2等大氣污染物和溫室氣體的排放。在開發(fā)利用淺層地溫能的過程中，為避免其帶來的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理和控制措施，保障淺層地?zé)崮艿玫娇茖W(xué)、合理和有效地開發(fā)利用。

[1]王立發(fā),董殿偉.北京市淺層地溫能資源評(píng)價(jià)及開發(fā)利用前景分析[A].地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集(第三集)[C].北京:地質(zhì)出版社,2009:9-17.

[2]中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院.天津市淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用規(guī)劃編制研究專題報(bào)告[R].北京:中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院,2011.

[3]天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院.天津市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查報(bào)告[R].天津:天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院,2010.

[4]馬鳳如,林黎,等.天津地?zé)豳Y源現(xiàn)狀與可持續(xù)性開發(fā)利用問題[J].地質(zhì)調(diào)查與研究,2006(9):222-228.

F407.2；P314.2

C

1672-6995(2011)04-0024-02

2011-04-11

張博（1985—），女，山東省臨沂市人，中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院研究實(shí)習(xí)員，工學(xué)碩士，主要研究方向環(huán)境經(jīng)濟(jì)。