地熱清潔供暖系統(tǒng)中成本管理及能效提升策略探究

牛海瑞，，王俞文，劉健，宋新強

（1.中石化新星山東新能源有限公司，山東東營，257000；2.中石化新星河南新能源開發(fā)有限公司，河南鄭州，450000；3.中石化綠源地熱能(山東)開發(fā)有限公司，山東德州 253600；4.東營市自然資源和規(guī)劃局河口分局，山東東營，257000）

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點，應用性好且具有競爭力。加快開發(fā)利用地熱能不僅對調整能源結構、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義，而且對培育新興產業(yè)、促進新型城鎮(zhèn)化建設、增加就業(yè)均具有顯著的拉動效應；也是我國促進生態(tài)文明建設的重要舉措，是推進能源生產和消費革命、構建清潔低碳能源體系的重要選擇。目前國內外研究主要集中在地熱能的開采利用技術探討、開發(fā)利用現狀研究、經濟效益分析和政策建議等方面[1-3]，對地熱供暖的能效提升研究較少?；诖?，該論文從地熱項目的成本控制管理分析入手，重點分析了地熱供暖系統(tǒng)的能效提升對策，以期為科學合理評價地熱供暖項目的綜合效益及后續(xù)可持續(xù)開發(fā)利用提供參考。

1 地熱資源開發(fā)利用現狀

按照在地下的賦存狀態(tài)，地熱資源可以劃分為水熱型、地壓型和干熱巖型三大類，其中水熱型地熱資源是目前利用最為廣泛和成熟的。我國水熱型地熱資源儲量非常豐富，每年可采資源量折合標準煤19億噸，被廣泛應用在城鎮(zhèn)供暖、農業(yè)種植、醫(yī)療洗浴和旅游開發(fā)等產業(yè)中。在地熱直接利用構成中，地源熱泵占58.8%，地熱供暖占19.5%（含空間供暖16.0%和溫室供暖3.5%），溫泉洗浴占18%，詳見圖1[4]。2014年，我國地熱供暖比例首次超過溫泉洗浴，充分說明我國地熱資源能源化利用步伐正在加快。尤其在我國供暖需求市場廣闊的北方地區(qū)，資源分布區(qū)與供暖需求城市區(qū)恰好吻合，地熱供暖正逐漸成為可持續(xù)發(fā)展項目的重要組成部分。

圖1 地熱能各領域直接利用結構

由于地熱采暖不僅可節(jié)省煤炭的運輸成本和空間占用，還可大量減少二氧化碳、氮氧化物等有害物質的排放，避免大氣污染，能有效替代常規(guī)能源。近年來，利用中低溫地熱能源供暖的規(guī)模不斷增長，主要以傳統(tǒng)水熱型地熱資源供暖的方式，年均增速約20%。中國石化堅持以地熱資源梯級利用為導向，以地熱開發(fā)利用“雄縣模式”為模板，新形勢下又提出繼續(xù)打造20個地熱供暖無煙城，在我國河南、河北、山東、湖北等省的多個區(qū)域得到推廣應用，均取得了較好的社會效益和經濟效 益[5]。在多年的發(fā)展過程中，中國石化新星公司逐步建立了一套完整的包含資源勘查與評價、鉆井成井工藝、梯級利用、保溫與換熱、防腐防垢、高效運營、尾水回灌技術體系，為我國中深層地熱清潔供暖的可持續(xù)發(fā)展提供了實踐經驗與創(chuàng)新引領。

2 地熱供暖成本控制管理

2.1 成本構成

一個完整的地熱項目建設，主要包括熱源部分（地熱井建設）、供熱泵房和末端散熱部分。目前常見的地熱利用形式為水熱型，主要采用鉆井將地下熱水提升至地面，通過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)水通過集水器、分水器、散熱器等設備輸送給用戶。對一個供暖面積相對固定的供暖系統(tǒng)來說，泵房、末端的總投資和其本身的運行成本相對變化較小，因此，一個地熱井供熱站的投資、運行成本及投資回收期主要取決于地熱井鑿井費用、熱源質量（穩(wěn)定的流量和溫度）及供暖設計水平等。

項目建設完成后，涉及的運營成本要素比較繁雜，除基本的供暖所需的材料、水和電的消耗、耗時的人工、折舊翻新等費用外，還包括管理成本、間接生產成本及稅金開支。供暖企業(yè)當前運用的原則是遵循從上至下的分級管理以及分層控制，各部門都需要對各自負責的成本指標進行調整與分化，比如因動力所需的燃料費用的控制由公司成本核算部門負責；供暖所耗費的人工費用由人事部門負責；供暖設備的檢查和維修等產生的費用由運營部門負責；全部項目的費用分析需交財務部門負責等。

從圖2供暖運營成本構成可以看出，電費在供暖成本中的占比最大，為33%；其他供暖運營成本支出占比不同?？煽刂频膮^(qū)間范圍仍然很大，任何一個環(huán)節(jié)不注重成本控制和能效優(yōu)化，都有可能導致綜合運營成本高于平均水平，甚至影響項目整體收益。

圖2 地熱供暖運營成本構成

2.2 成本控制措施

2.2.1 開發(fā)階段

開發(fā)階段企業(yè)的生產成本應得到有效控制。科學、合理的對企業(yè)供暖系統(tǒng)進行設計、改進，在地熱項目開發(fā)過程中使用新設備、新技術，均可以提高資源的有效使用率；同時在供暖成本上，要考慮投資、成本消耗因素。

2.2.2 實施過程

供暖企業(yè)的主要成本幾乎都發(fā)生在實施過程中?？茖W、合理的制定相關的成本控制措施，可以有效降低生產成本，從而確保實施過程有序、順利進行。主要歸納為：其一，成本管理人員需要根據目前供熱企業(yè)的實際情況，分別從熱力供應、生產材料加工與原材料購置等方面開展成本分析，強化對供熱成本調控方式和調控強度關系的有效分析。其二，在遵守國家熱力資源供應要求的基礎上，通過科學的社會數據調查與統(tǒng)計方法，仔細分析具體的供熱需求，以合理調整企業(yè)的投資成本，確保區(qū)域內地熱供暖強度可以滿足客戶實際要求。其三，采取綜合分析方法整合成本調節(jié)方式，對于單方面效益滿足問題予以規(guī)避。

3 地熱供暖系統(tǒng)能效提升對策

雖然我國地熱清潔供熱產業(yè)已具備一定的規(guī)模，但在熱源匹配、調節(jié)控制、數據監(jiān)測、設備質量、技術含量以及運行管理等方面還不能滿足實際供熱需求。在長期運行中，所在地區(qū)的氣候條件、地熱資源的品質、不同類型建筑物的采暖熱負荷以及室內采暖系統(tǒng)和城市建設的發(fā)展規(guī)劃都會影響地熱供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，要堅持“整體規(guī)劃，分布實施、資源先行、綜合利用、科學開發(fā)、環(huán)境保護”的發(fā)展目標，綜合考慮到各種因素，從以下六個方面入手，進一步提升地熱清潔供暖系統(tǒng)的能效利用水平，以實現地熱供熱產業(yè)與城市經濟、社會、環(huán)境發(fā)展的共贏。

3.1 地熱資源目標層系的選擇

重視資料收集和實地調查，提高選擇目的層的準確性，并針對該目的層的埋藏深度及產熱參數，結合項目情況進行初步經濟性分析。不同類型的熱儲，在平面和垂向上的分布規(guī)律不同，要針對不同類型的熱儲開展儲層分布規(guī)律研究，明確儲層在平面和垂向上的分布特征，合理制定完鉆深度和取水層段。同時，在項目正式開發(fā)前，要合理確定井數和井位，根據實際情況控制采灌井間距。不因井距過小而產生熱突破，不因井距過大達不到開發(fā)要求。

3.2 優(yōu)化鉆完井技術

一是要選擇合理的鉆完井方案。根據不同地層采用不同的井身結構，選擇合理的鉆具組合，優(yōu)選套管和固井材料。二是選擇專業(yè)化的鉆井隊伍。鉆井隊伍要具有相應的資質、人員培訓上崗證書、設備完好、具有地熱鉆井經驗。三是要充分考慮地熱井和油氣井井控要求、地質情況、開發(fā)環(huán)境等因素，在有參考井或者開發(fā)區(qū)域較為成熟的地區(qū)，建立適合地熱井的井控標準和HSE標準，降低鉆井施工成本。四是優(yōu)化井身結構，在保證井筒完整性的前提下，盡量減少套管層次，滿足泵的尺寸要求，降低成本。五是要合理進行固井水泥漿體系和固井工藝的選擇，考慮溫度和腐蝕，優(yōu)選符合地熱井開發(fā)條件的封隔器和懸掛器。

3.3 提高工藝設計與建設的經濟性

一是對于區(qū)域性地熱供暖項目，要按照統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施的原則，充分考慮現有供熱負荷及未來用戶的增加，分批次投資建設，確定每一期項目的換熱站產能、設備選型，避免一次性建設產能過剩，同時降低企業(yè)資金壓力。二是要注意地熱資源的綜合與梯級利用。根據不同的用途，綜合利用地熱資源，使地熱終端消費多元化，梯級化和集約化開發(fā)，將地熱水的溫差“吃干榨盡”， 實現地熱尾水全部回灌，降低對地下水資源的破壞和浪費，地熱梯級利用方案見圖3。三是根據用能負荷需求實時變化的特征（其中需考慮不同公建、民建的供熱特點，不同末端的負荷差異等因素），制定最為節(jié)能的運行策略，并合理設計調峰設備（熱泵、燃氣鍋爐等）的裝機容量及運行時段，實現優(yōu)化投資，優(yōu)化運行成本。四是在換熱站建筑材料方面，要結合綠色建筑要求，完善站內保溫措施。站內采取標準化、模塊化、撬裝化設計，縮短施工周期。

圖3 地熱梯級利用方案

3.4 優(yōu)化管網路由設計

因地熱井及站內井網相對較短，單站供暖面積也相對較小，因此優(yōu)化空間不大。一是對于地熱水，確立合理的流速，降低摩擦阻力；高腐蝕地區(qū)可以采用玻璃鋼或者PE管；采用硬質聚氨脂泡沫塑料黃夾克一次成型保溫。二是對于站內管道，宜采用硅酸鋁鎂管殼或橡塑材料保溫。管網敷設盡量直埋；選用最節(jié)省管材的枝狀管網；若多對井同時生產并共用管網，在井口增設流量和壓力遠傳，便于調節(jié)水力平衡。三是供暖二次側可考慮增加調節(jié)閥或者平衡閥，避免出現水力不平衡引起的冷熱不均。合理設計管網路程，通過水力平衡，防止出現部分用戶過熱，部分用戶過冷的現象。

3.5 提高精細運營管理水平

一是要做好供暖末端管理，減少末端及管網跑冒滴漏，實現節(jié)約補水量、降低循環(huán)泵電耗。二是對于住宅樓，要做好分戶管理和分戶控制，一方面維持供熱溫度達標但不過高，另一方面對無人房屋或未交費房屋停止供熱，避免用戶端熱量浪費。三是日常檢維修時要定期清洗換熱器，減少污垢熱阻，提高換熱效率?？砂惭b電磁阻垢器，減少地熱水在管道中的結垢。四是基于能源側、管網流程、用戶側末端，根據供熱規(guī)模、溫度的變化，及時合理調整供熱負荷，以系統(tǒng)能效為目標優(yōu)化生產管理流程。同時要完善預警反應機制，針對管網損壞、設備異常等情況，建立完善的預警——處置——反饋機制，縮短維修時間，提升運行效率。五是盡量采用智能控制系統(tǒng)，根據環(huán)境溫度及用戶側溫度監(jiān)測，反饋至控制系統(tǒng)，調節(jié)變頻循環(huán)泵、熱泵等設備，實現系統(tǒng)優(yōu)化運行，降低系統(tǒng)能耗。六是針對性地控制換熱站運行中電、水、人工及維修費等主要成本費用。按照質調節(jié)量調節(jié)、高峰低谷期合理調整，最大限度節(jié)約用電；通過先進的監(jiān)控設備加強檢測，減少跑冒滴漏，降低漏水率。減少用工量，做到無人值守或者少人值守，降低人工成本。

以東營市西湖供暖小區(qū)為例，該小區(qū)地熱供暖項目總供暖面積為20萬平方米，配套建設一座地熱站，兩口采水井＋兩口回灌井，利用地熱水作為供暖熱源，冬季為地暖系統(tǒng)用戶提供45℃/35℃熱水。單口生產井出水溫度為68℃，出水量為80 m3/h。供暖系統(tǒng)采用“板式換熱器＋熱泵機組提溫”方式。2020－2021年供暖季運營總成本中，折舊費占比41%，電費27%，人工費15%，檢維修費用8%，其他費用共9%。相比上一供暖季，單位耗電同比降低0.51元，降幅9.37%。主要采取措施是對氣液分離器進行技術革新，停用了氣液分離器三臺循環(huán)泵，節(jié)省了用電量。根據室外天氣情況，階段性降低循環(huán)泵的頻率，也節(jié)約了用電量。相比上一供暖季，單位水耗比去年同期降低0.13元，降幅32.8%。每天對各站耗水量進行統(tǒng)計、分析、巡線，發(fā)現漏點當天處理不隔夜，提高了管理時效性。相比上一供暖季，單位維修費比去年同期降低1.24元，降幅53.43%。主要措施為優(yōu)化維修流程，扎實做好夏季檢修工作，“冬病夏治”提高了檢修質量。

3.6 熱用戶方面的節(jié)能提升措施

用戶節(jié)能措施的好壞關系到熱用戶的用熱效果和用熱費用，因此有必要對此進行分析，提出應采取的節(jié)能措施。一是加大熱用戶室內散熱設備的更新工作，多采用鋼制散熱器，采暖系統(tǒng)形式也應從單管系統(tǒng)設計改成為分戶計量設計，同時在系統(tǒng)上安裝調控閥門，對進入熱用戶的供熱水量根據用戶的室溫變化情況進行調節(jié)，從而使熱用戶按其需要自行調節(jié)供熱量，達到節(jié)約能源和節(jié)省供熱費用支出的目的。二是市場經濟下需要新的供熱管理機制，使大家都認識到熱是一種商品，用熱就得花錢，改變福利供熱的觀念，并逐步將按建筑面積收費改為按熱量收費，根據合理的收費，調動熱用戶的節(jié)能意識。

4 結論

在“碳達峰、碳中和”的背景下，地熱清潔能源供暖系統(tǒng)必將發(fā)揮其低碳環(huán)保、清潔高效的優(yōu)勢，深層次推動能源產業(yè)結構調整，改變經濟社會的運行軌跡。但在地熱供暖產業(yè)規(guī)?；l(fā)展中，需要注重在開發(fā)初期、實施階段及運營管理等全過程進行成本分析及控制。同時要認識到，建筑規(guī)模的特點、地熱熱源的穩(wěn)定性、室外供熱管網的現狀、供熱系統(tǒng)的運行情況、實際供熱能耗及企業(yè)管理和技術力量的配備情況都會影響供熱系統(tǒng)整體能效的提升。因此，合理優(yōu)化、整體提升供熱系統(tǒng)是提高地熱能有效利用率和供熱運行效率的關鍵所在。要結合實際情況，采取相應的節(jié)能措施去實現地熱供熱能效提升，在促進我國地熱清潔供暖產業(yè)健康快速發(fā)展的同時，助推國家環(huán)保節(jié)能工作和“雙碳”目標的實現。