0 概述

地熱作為一種清潔能源，既有"熱"的價值，又有"水"的價值，采暖和生活熱水的優(yōu)勢十分明顯，在我國北方得到迅速的發(fā)展。國內(nèi)地熱供熱應用主要集中在天津、北京、河北、西安等地。天津地熱供熱應用較為普遍，目前天津的地熱供暖面積已達500萬m²，按替代燃煤鍋爐供暖計算，每個供暖季替代了11萬噸以上的煤，取得了良好的環(huán)境保護效益。

地熱供暖中一個突出的問題是供暖后地熱排放水溫比較高，一般在45℃以上，有的甚至達60℃，造成了資源的浪費和環(huán)境熱污染。另外，有少數(shù)地熱田溫度低（低于55℃）。這類低溫熱源要用于供暖，需進一步加熱，如采用傳統(tǒng)鍋爐加熱方式，供暖后的排放水溫仍將在40℃以上。如采用熱泵技術，不僅可回收地熱的排放水熱量，加熱升溫采暖供水溫度，同時加大了地熱的供暖能力，可使一口井相當于一口半至兩口井使用，另外降低地熱排放水溫度，達到環(huán)保要求。

1 地熱熱泵供熱方案

以往計算分析說明^[1、2]：地熱熱泵供暖系統(tǒng)，以地熱加熱泵調(diào)峰供暖方式的供暖成本和投資低于熱泵單獨作熱源的供暖方式。本文選取地熱熱泵調(diào)峰供暖作為基本系統(tǒng)進行三種地熱熱泵供熱方案的技術經(jīng)濟性分析。

方案 1：地熱熱泵調(diào)峰供暖系統(tǒng)

設計地熱熱泵調(diào)峰供暖方案的系統(tǒng)原理圖示，如圖1。地熱為供暖基本熱源，滿足采暖系統(tǒng)的基本熱負荷要求，到了采暖嚴寒期，地熱熱量不能滿足采暖熱負荷要求，啟用熱泵調(diào)峰，以提高采暖循環(huán)供水溫度，達到調(diào)峰供暖的要求。此系統(tǒng)中，地熱供暖后的尾水作為熱泵蒸發(fā)器的熱源，因此地熱的排水溫度將會進一步降低。

方案 2：地熱熱泵調(diào)峰供暖與生活熱水供應

在滿足方案1 供暖要求同時，還可兼顧生活熱水的供應，即利用地熱供暖后的尾水作為生活熱水供應。與單一地熱供暖相比較，地熱供暖與生活熱水供應不僅利用了地熱的“熱”，而且利用了地熱的“水”。

由于地熱供暖后的尾水溫度低于45℃，需要有將尾水加熱升溫的系統(tǒng)。這里設計 以一定量地熱供水55℃與一定量地熱尾水相混合，達到供應45℃的生活熱水，如圖1，這種方案涉及到要降低地熱供暖的供水流量，即降低地熱的供熱量，因此相應地要加大熱泵的調(diào)峰量。

方案 3：地熱熱泵調(diào)峰供暖生活熱水供應并兼顧夏季空調(diào)

在滿足上述方案2 地熱熱泵供熱的基礎上，考慮熱泵兼顧夏季空調(diào)用。熱泵的工作原理與制冷機相同，二者也具有相同的主要部件，只是運行的溫度、壓力范圍不同。熱泵機組一機兩用，提高了設備的利用率，相應減少了采暖、空調(diào)系統(tǒng)的設備初投資，同時電力初裝費只一次性計入，投資的經(jīng)濟性得以提高。熱泵空調(diào)機一機兩用，并且機組在夏季空調(diào)的運行時間要比冬季調(diào)峰供暖的運行時間長，因此可以把熱泵初投資的50%甚至60%以上計入空調(diào)系統(tǒng)。

2 地熱熱泵供熱系統(tǒng)技術經(jīng)濟分析

按上面提出的三種地熱熱泵供熱方案和兩類地熱資源情況：地熱利用后的尾水或新鉆地熱井，作供暖基本熱源加熱泵調(diào)峰進行供熱。進行方案技術經(jīng)濟參數(shù)計算和分析的依據(jù)是北京某工程的實際參數(shù)：地熱供水溫度55℃，流量80 t/h；采暖回水溫度按35℃計算；采暖面積5萬m²，按建筑節(jié)能要求，采暖熱指標可采用50w/m²；當?shù)啬茉磧r格為：電價0.36元/度，地熱水費0.3元/噸，自來水水費0.7元/噸，煤價220元/噸，天然氣價格1.8元/m³。

由于采暖供回水溫度偏低，選用終端散熱器上將有所考慮。計算發(fā)現(xiàn)，對55℃以下的低溫采暖，如采用常規(guī)暖氣散熱器，所需要的散熱器面積至少要增加50%，相應投資也將增加50%。目前一種新興的PP-C管地板輻射散熱器正在興起和投入使用，由于它埋在房間地板下，散熱方式是由下向上輻射散熱，適合人的身體和生活需要。這一特點，即使是降低它的供回水溫度，如采用50℃/35℃，對它的散熱效果也沒有太大影響。這使得地板輻射散熱器在低溫采暖中有很強的競爭力。因此，可結合建筑實際情況，終端可采用暖氣散熱器，或采用地板輻射散熱器。

根據(jù)上面所提到的條件和參數(shù)，對三種地熱熱泵供熱方案進行具體的計算，結果見下表1、表2。

計算結果分析和比較：

1、表 1 計算了不同采暖終端，新鉆地熱井系統(tǒng)的投資和單位運行成本。從三種地熱供熱方案看，方案1的投資低，供暖成本也低，但沒有生活熱水供應。綜合比較，方案3 既有供暖，又有生活熱水供應，同時還兼顧夏季空調(diào)，從投資和運行成本看，方案3 處在方案1 和方案2 之間，可作為優(yōu)選方案。

2、表2計算了計入和不計地熱井時的經(jīng)濟參數(shù)計算結果。不計入地熱井時，系統(tǒng)只有熱泵、管網(wǎng)和采暖終端，沒有地熱井的投資和運行費用，其供暖成本只有計入地熱井系統(tǒng)的55%左右。

表 1 不同方案下地熱熱泵供熱經(jīng)濟參數(shù)的計算

終端 地熱供熱方案 地熱井管網(wǎng)終端投資(萬元) 熱泵 初投資 (萬元) 熱泵單位電費 (元/m²) 供暖單位成本 (元/m²) 生活熱水投資 (萬元) 供水單位成本 (元/m²) 初投資 總計 (萬元) 暖氣散熱器 方案 1 600 124 0.70 18.02 / / 724.0 方案 2 600 169 1.22 19.55 46 1.35 815.0 方案 3 600 67 17.60 46 1.35 713.0 地板散熱器 方案 1 890 124 0.70 19.24 / / 1014.0 方案 2 890 169 1.22 20.78 46 1.35 1105.0 方案 3 890 67 18.82 46 1.35 1003.0 暖氣增加投資 方案 1 460 124 0.70 15.83 / / 584.0 方案 2 460 169 1.22 17.37 46 1.35 675.0 方案 3 460 67 15.41 46 1.35 573.0

　

表 2 地熱熱泵供熱與鍋爐供熱的比較 (按暖氣增加投資計算)

   供熱方案 供暖系統(tǒng)投資 (萬元) 供暖單位成本 (元/m²) 生活熱水系統(tǒng)投資 (萬元) 供水單位成本 (元/m²) 初投資 總計 (萬元) 計入 地熱井費用 地熱熱泵供熱方案1 584 15.83 / / 584 地熱熱泵供熱方案2 629 17.37 46 1.35 675 地熱熱泵供熱方案3 527 15.41 46 1.35 573 不計 地熱井費用 地熱熱泵供熱方案1 334 8.28 / / 334 地熱熱泵供熱方案2 379 9.66 46 1.35 425 地熱熱泵供熱方案3 277 7.70 46 1.35 323 鍋爐 燃煤鍋爐供熱 215 13.65 70 4.50 285 燃氣鍋爐供熱 240 26.76 105 11.32 345

3 地熱熱泵供熱與鍋爐供熱的比較

通常用戶比較關心的是，地熱熱泵供熱能否與傳統(tǒng)鍋爐供熱相競爭，為此計算燃煤、燃氣鍋爐供暖及生活熱水供應的初投資和單位成本，見表2，并將地熱熱泵供熱方案（有無地熱井費用兩種情況）與鍋爐供熱二者進行投資和成本比較。

由表2看，燃煤鍋爐的供暖單位成本為13.65元/m²，地熱熱泵調(diào)峰供暖方案3 的供暖單位成本為15.41元/m²，比鍋爐高13%，不計地熱井時供暖成本為7.70元/m²，約只有鍋爐的56%。但燃氣鍋爐的供暖成本已超過了供暖收費標準20元/m²。

比較生活熱水供應成本，地熱供應生活熱水的成本只有1.35元/噸，低于燃煤鍋爐成本4.50元/噸，大大低于燃氣鍋爐成本11.32元/噸。

根據(jù)上面計算得到的地熱供熱系統(tǒng)的投資和成本，以及鍋爐供熱的投資和成本，可分別計算地熱供熱和鍋爐供熱的年毛利（供暖收入和生活熱水收益）以及投資回收年限，見表3。地熱熱泵供熱方案3 的年供暖和生活熱水收益最高，可以考慮盡量擴大地熱供生活熱水的市場，充分用好地熱的“熱”和“水”。投資回收年限中，燃煤鍋爐約7 年左右，地熱熱泵系統(tǒng)，計入地熱井時系統(tǒng)的投資回收年限約 9 年左右，不計地熱井時約 4 年，低于鍋爐系統(tǒng)。

應當說明當?shù)責崤c鍋爐供熱方案對比時，占地面積引起的經(jīng)濟效益差別不能忽視。鍋爐房要包括煤、灰埸和運輸通道，通常地熱井方案占地可能只及鍋爐房方案的 1/5 左右。如在市中心區(qū)占地，其土地價值是相當高的。

4 地熱熱泵供熱的節(jié)能環(huán)保效益

與傳統(tǒng)鍋爐供熱相比，采用地熱熱泵供熱可以取得節(jié)水和節(jié)煤效益。如按生活熱水供應量40t/h計算，年供水量為87600噸，采用地熱供應生活熱水取代鍋爐加熱自來水方式，則年節(jié)水量為87600噸，這不僅節(jié)約了水費約6萬元，更主要的是節(jié)省了清潔水，這對缺水地區(qū)是非常有意義的。

按 5 萬m² 的建筑采暖，年單位耗煤量21.53kg/m² 計算，采用地熱熱泵供暖替代鍋爐供暖，每個采暖季可節(jié)省耗煤量1077 噸。另外生活熱水供應量為87600 噸/年，如采用鍋爐加熱，計算出年耗煤量為980噸/年。這樣可以計算出采用地熱供熱替代鍋爐供熱，每年可節(jié)煤 2057 噸，按煤價 220元/噸計算，相當于節(jié)省45.3萬元。

表 3 地熱供熱與鍋爐供熱的投資回收 (按暖氣增加投資計算)

  單位 方案1 方案2 方案3 鍋爐 燃氣鍋爐 供暖面積 萬 m² 5 供暖收費標準 元/m² 20 單位供暖成本 元/m² 8.28 9.66 7.70 13.65 26.76 供暖毛利 萬元/年 58.60 51.70 61.50 31.75 -33.80 生活熱水供應量 噸/年 87600 熱水收費標準 元/噸 6 熱水供應成本 元/噸 / 1.35 1.35 4.50 11.32 熱水供應毛利 萬元/年 0.00 40.73 40.73 13.14 -46.60 毛利總計 萬元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40 計地熱井費用 毛利總計 萬元/年 20.85 53.88 63.68 44.89 -80.40 系統(tǒng)投資 萬元 584 675 573 285 345 投資回收年限 年 28.0 12.5 9.0 6.3 無 單位面積投資費 元/m² 116.8 135.0 114.6 57.0 69.0 不計地熱井 費用 毛利總計 萬元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40 系統(tǒng)投資 萬元 334 425 323 285 345 投資回收年限 年 5.7 4.6 3.2 6.3 無 單位面積投資費 元/m² 66.8 85.0 64.6 57.0 69.0

替代燃煤鍋爐供熱，節(jié)煤2057 噸所減少的對空氣污染量，可計算出相應治理污染量所需的費用約12.4萬元。 按上述所計算出的替代燃煤鍋爐供熱所達到的節(jié)水、節(jié)煤和環(huán)保效益，可以得出一個總的效益值為：

6萬元（節(jié)水）+ 45.3 萬元（節(jié)煤）+ 12.4萬元（環(huán)保）=63.7萬元

此為地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱所取得的間接效益，由此可計算地熱熱泵供熱方案3 的直接效益和間接效益之和為 63.68萬元 + 63.7萬元 = 127.38萬元，如按此收益重新計算地熱熱泵供熱方案3 的投資回收年限為 4.5年。

5 結論

1、根據(jù)技術經(jīng)濟評價結果，認為地熱熱泵供熱方案 3 （供暖、生活熱水、空調(diào)）為優(yōu)選方案。

2、地熱熱泵供熱系統(tǒng)，當計入地熱井時供暖單位成本為15.41元/m²，與燃煤鍋爐相當，不計地熱井時僅為7.70元/m²，約只有鍋爐的60%，表明回收地熱尾水的地熱熱泵調(diào)峰供暖成本是很低的。

3、地熱熱泵供熱系統(tǒng)，計入地熱井時系統(tǒng)的投資回收年限約 9 年左右，不計地熱井時約只有 4 年，低于鍋爐系統(tǒng)的7年。

4、地熱熱泵調(diào)峰供暖提高了地熱利用率，同時降低地熱排水溫度達到環(huán)保排放標準。

5、地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱取得節(jié)水、節(jié)煤和環(huán)保效益總計為63.7萬元，由此可計算出地熱熱泵供熱方案3 的直接效益和間接效益之和為127.38萬元。

參考文獻：

1. 李新國，低溫地熱運用熱泵供暖的技術經(jīng)濟分析，《天津大學學報》，No3, 1996.

2. 李新國，地熱熱泵調(diào)峰供暖系統(tǒng)的熱力及經(jīng)濟分析，《太陽能學報》，No2, 1997.