中深層地?zé)豳Y源供暖的環(huán)保效益探究

陳家璽

（北京市地?zé)嵴{(diào)查研究所，北京 102218）

1 地?zé)峒暗責(zé)峁┡攀?/h2>

當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界上最大的能源生產(chǎn)和消費國[1]，最大的碳排放國[2]，能源生產(chǎn)體系呈現(xiàn)出煤、油、氣、核和可再生能源多輪驅(qū)動的模式，但能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多煤、少油、缺氣的現(xiàn)狀。我國2020年的能源消費總量約49.7×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，其中近六成為煤炭消費，即近30×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)成為我國今后一個階段產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)方向，這勢必會影響我國能源消費的格局，甚至掀起一場新的能源消費革命。從資源稟賦方面考慮，我國應(yīng)該重視可再生能源尤其是地?zé)崮芟嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。

地?zé)崾谴罅刻N(yùn)藏于地球內(nèi)部的、集“熱”“礦”“水”于一體的潔凈自然資源。地?zé)崮苤饕獊碓从诘厍蛏钐幍娜蹘r巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。有學(xué)者估算，地殼深度5000 m范圍內(nèi)儲存的天然熱量高達(dá)14.2×1023kJ，相當(dāng)于 5×1011t標(biāo)準(zhǔn)煤[5]，幾乎相當(dāng)于全球煤炭探明儲量的一半（2019年全球煤炭已探明儲量為1.07×1012t）。地?zé)崮茉吹膬α咳绱酥?，可以稱得上是取之不盡、用之不竭。同時，地?zé)崮茉谙M過程中不產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫等對環(huán)境有害的氣體，不產(chǎn)生廢渣等固體廢物。與其他清潔能源相比，地?zé)崮芫哂凶陨愍毺氐膬?yōu)勢，相較于核能更安全可控，相較于風(fēng)能更穩(wěn)定，相較于太陽能更高效。除此之外，地?zé)崮苓€具有運行成本低、可就地利用、綜合利用性強(qiáng)等優(yōu)勢[6-9]。

1930年，北歐國家冰島開始嘗試開發(fā)地?zé)豳Y源用于采暖，取得一定成果后不斷擴(kuò)大開發(fā)規(guī)模，20世紀(jì)90年代，其首都雷克雅未克的供暖已全部依靠地?zé)幔瑢崿F(xiàn)了供暖零碳排放。我國的地?zé)峁┡_始于20世紀(jì)70年代北京火車站車站維修班的一間辦公平房，工人們鋪排用于洗浴的地?zé)崴艿罆r使管道在辦公室繞了個圈從而造就了原始的地?zé)崛∨绞絒10]。當(dāng)前，地?zé)峁┡嚓P(guān)的技術(shù)與設(shè)備迅猛發(fā)展，截至2019年年底，我國淺層和中深層地?zé)崮芄┡ㄖ娣e已經(jīng)超過11×108m2。

中深層地?zé)豳Y源是指儲藏在中深層巖土體中，具有開發(fā)利用價值的地?zé)豳Y源，深度一般可達(dá)2000～3000 m。中深層地?zé)豳Y源作為一種可再生資源，部分地區(qū)已開始嘗試將其用于市政供暖并且取得了不錯的成效。本文以成熟運營中深層地?zé)豳Y源開發(fā)用于供暖的北京某小區(qū)為研究對象，通過采集有效數(shù)據(jù)，選取合理參數(shù)，對利用中深層地?zé)豳Y源進(jìn)行供暖的環(huán)保效益進(jìn)行量化，從而為推廣普及該供暖模式提供具體的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而展示中深層地?zé)豳Y源開發(fā)對“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)的潛力。

2 研究區(qū)概況

北京某開發(fā)公司為節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本和實現(xiàn)清潔供暖，在某小區(qū)投資鉆成3口地?zé)峋?口開采井、1口回灌井和1口備用井，并成功建設(shè)中深層地?zé)豳Y源開采系統(tǒng)，從而建立了中深層地?zé)豳Y源與燃?xì)忮仩t有機(jī)耦合的復(fù)合式供熱系統(tǒng)。目前該供暖模式已有效運行10余年，成為中深層地?zé)峁┡袠I(yè)的先行示范，取得了良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 區(qū)域地質(zhì)及成井情況

該小區(qū)所屬研究區(qū)位于北京市，所處位置在地貌上屬于平原區(qū)，大地構(gòu)造分區(qū)上位于中朝準(zhǔn)地臺（Ⅰ級）燕山臺褶帶（Ⅱ1）西山疊坳褶（Ⅲ2）門頭溝疊陷褶（Ⅳ）與華北斷坳（Ⅱ2）北京疊斷陷（Ⅲ）順義疊凹陷（Ⅳ）的交界部位。從區(qū)域地質(zhì)上看，研究區(qū)位于九龍山向斜向東延伸之東南翼，來廣營隆起的西側(cè)。本區(qū)在地貌上為平原區(qū)，在黃莊－高麗營斷裂以西，第四系厚度約100～200 m，下伏地層主要以侏羅紀(jì)火山沉積巖為主；以東，厚度約200～300 m，第四系以下有新近系沉積。區(qū)內(nèi)及其附近分布的主要構(gòu)造有黃莊-高麗營斷裂、八寶山斷裂、順義斷裂、北苑斷裂和南口-孫河斷裂。

研究區(qū)的3口地?zé)峋鶠椤八拈_”井身結(jié)構(gòu)成井，“一開”采用Φ444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)，“二開”采用Φ311.1 mm鉆頭鉆進(jìn)，“三開”采用Φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，“四開”采用Φ152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)，終孔深度分別為 3648 m、3238 m、3349 m，鉆進(jìn)過程中鉆遇地層有第四系、新近系、侏羅系、石炭系—二疊系、奧陶系—寒武系和薊縣系。研究區(qū)地?zé)峋疅醿訛閵W陶紀(jì)—寒武紀(jì)灰?guī)r、白云巖和薊縣紀(jì)白云巖。

2.2 供暖系統(tǒng)

該小區(qū)供暖需求為冬季供暖120天，建筑面積3.8×105m2。地?zé)峋鏊疁囟葹?4℃，可以開采的供熱取水量為2540 m3/d。地?zé)嵩?jīng)多級利用后進(jìn)行同層回灌，回灌溫度為25℃，依據(jù)計算得到該地?zé)峋梢怨?yīng)的熱負(fù)荷P為6.05MW（計算過程如下）：

式中c表示水的比熱容，ρ表示水的密度，q表示地?zé)崴髁?，Δt表示溫度差。

該項目冬季供暖方案采用地?zé)犭A梯利用供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要組成部分包括一級板換、二級板換、三級板換、四級板換。地?zé)崴鏊疁囟葹?4℃，在依次通過一級板換、二級板換、三級板換、四級板換分別完成溫度梯級供應(yīng)后，水溫降至25℃回灌溫度，從而實施同層回灌。

3 環(huán)保效益評價指標(biāo)體系

環(huán)保效益評價指標(biāo)體系的建立對分析中深層地?zé)豳Y源供暖的環(huán)保效益至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，地?zé)豳Y源的開采使用遵循“取熱不取水”和同層回灌的原則，所以地?zé)崮艿南M過程不僅杜絕了二氧化碳、二氧化硫等廢氣的排放，也沒有廢水的排放，更不會產(chǎn)生固體廢棄物。中深層地?zé)豳Y源相比于煤、天然氣等化石燃料，其優(yōu)勢主要在于節(jié)能和減排，所以本文初步將環(huán)保效益評價指標(biāo)體系劃分為2個子體系：節(jié)能指標(biāo)體系和減排指標(biāo)體系。其中節(jié)能指標(biāo)體系由節(jié)能量組成，為了能夠直觀地表述節(jié)能量，本文引入節(jié)煤量、節(jié)氣量、節(jié)電量三個指標(biāo)對節(jié)能量進(jìn)行折算轉(zhuǎn)化；減排指標(biāo)體系由CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量、懸浮質(zhì)粉塵減排量和煤灰渣減排量組成。

4 計算

4.1 節(jié)能量計算

地?zé)豳Y源開發(fā)節(jié)能量的具體數(shù)值可以通過公式進(jìn)行計算。該供暖系統(tǒng)取水量為2540 m3/d，一個取暖季為120天，開采總量為304800 m3，地?zé)峋鏊疁囟葹?4℃，經(jīng)多級利用后回灌溫度為25℃。

一個采暖季的節(jié)能量為Q：

由式（2）（3）（4）可以得出節(jié)能量Q的計算式為：

上式中c表示水的比熱容，ρ表示水的密度，q表示地?zé)崴髁浚瑃表示時間，Δt表示溫度差。

已知c=4.2×103J/（kg·℃），ρ=1.0×103kg/m3，代入相應(yīng)數(shù)值后可以得到：

也就是說地?zé)峁┡粋€采暖季的節(jié)能量為6.2×1013J。

4.2 折算電、標(biāo)準(zhǔn)煤、天然氣

4.2.1 折算節(jié)電當(dāng)量

通過以上公式計算，地?zé)崛∨粋€采暖季可節(jié)省能量6.2×1013J，若不考慮電能轉(zhuǎn)化為熱量的損耗，節(jié)省的能量換算成電量為1.72×107kw·h。

4.2.2 折算節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量

為了呈現(xiàn)更直觀，地?zé)崴墓?jié)能量也可以折算成標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行計量（表1）。

表1 地?zé)崴_采所獲熱量與之相當(dāng)?shù)墓?jié)煤量

所以得出該研究區(qū)采用中深層地?zé)豳Y源供暖每個取暖季節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量為2115.49t。

4.2.3 折算節(jié)約天然氣當(dāng)量

已知節(jié)能量，根據(jù)天然氣的熱值就可以求得節(jié)省天然氣量。我國各地天然氣的熱值不同，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》（GB17820-1999）對天然氣熱值的規(guī)定：高位發(fā)熱值>31.4 MJ/m3，這里取天然氣熱值q為 31.4 MJ/m3。

上式中Q表示節(jié)能量，q表示天然氣熱值。

計算得1.97×106m3。也就是說，該研究區(qū)采用中深層地?zé)豳Y源供暖每個取暖季節(jié)省天然氣1.97×106m3。

4.3 環(huán)保效益

根據(jù)由國家發(fā)改委、國家能源局等多部委聯(lián)合印發(fā)的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021年）》，截至2016年年底，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206×108m2。其中燃煤取暖面積約占總?cè)∨娣e的83%。所以，在評估地?zé)崛∨沫h(huán)保效益時采用相當(dāng)節(jié)煤量的減排量（表2）。

表2 地?zé)峁┡粋€采暖季相當(dāng)節(jié)煤量M的減排量

該小區(qū)每個采暖季開采地?zé)崴?04800m3，對應(yīng)的節(jié)煤量為2115.49t。依據(jù)表3，計算地?zé)崴_采一個采暖季相當(dāng)節(jié)煤量的減排量如下：

表3 環(huán)保效益計算結(jié)果

CO2：2.386×2115.49=5047.56（t）；

SO2：1.7%×2115.49=35.96（t）；

NOx：0.6%×2115.49=12.69（t）；懸浮質(zhì)粉塵：0.8%×2115.49=16.92（t）；煤灰渣：0.1%×2115.49=2.12（t）。

4.4 計算結(jié)果

經(jīng)過計算，結(jié)果如表3所示。

該研究區(qū)地?zé)峁┡娜∷疄?口，1個采暖季供應(yīng)的熱量達(dá)6.2×1013J，節(jié)煤當(dāng)量為2115.49t（節(jié)氣當(dāng)量1.97×106m3或節(jié)電當(dāng)量1.72×107kw·h），同等節(jié)煤當(dāng)量條件下的CO2減排量為5047.56t，SO2減排量為35.96t，NOx減排量為12.69t，懸浮質(zhì)粉塵減排量為16.92t，煤灰渣減排量為2.12t。

5 結(jié)論與建議

從對該供暖系統(tǒng)的研究可以得知，單口地?zé)峋\行1個采暖季所節(jié)省的能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤高達(dá)數(shù)個千噸級，減排CO2、SO2、NOx、懸浮質(zhì)粉塵和煤灰渣的量也頗為可觀，使用地?zé)峁┡哂辛己玫沫h(huán)境保護(hù)效益。當(dāng)前，我國北方地區(qū)居民的供暖需求日益劇增，而我國的大氣污染區(qū)也集中在北方，在滿足人民群眾日益增長的消費能源進(jìn)行供暖需求的情況下，不讓空氣污染加劇甚至改善大氣環(huán)境，地?zé)峁┡且粋€很好的解決方案。地?zé)豳Y源是一種寶貴的清潔能源，國家和政府應(yīng)該大力扶持和引導(dǎo)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而實現(xiàn)對地?zé)豳Y源的合理開發(fā)、合理使用。應(yīng)該遵循“在開發(fā)中保護(hù)，在保護(hù)中開發(fā)”的原則，做到“取熱不取水”、采灌結(jié)合+同層回灌，在利用過程中厲行節(jié)約，做到梯級利用，在遵循使用規(guī)范的基礎(chǔ)上使地?zé)崴臒崃堪l(fā)揮最大效益。