[科普中国]-地热供热

背景

当今社会，常规化石能源日渐短缺，而在总能耗中，民用采暖耗能比例逐年增长。地热作为一种无污染、可再生的清洁能源，与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比，具备数量巨大、可再生、低碳、环保、就地取用等优势。同时地热资源的开发也符合国家的节能减排政策。2013年初，国家能源局、财政部、国土部和住建部联合发布的《关于促进地热能开发利用的指导意见》，更增大了对地热能这一新能源的开发利用的政策支持。

胜利油田所处区域存在丰富的地热水资源，地热水温度较高，具有较好的利用价值。早在2002年，胜利油田就开始在其外围区域采取地热供热的形式。随着我国环保问题的加剧，以环保和节能为主要特征的地热供热形式越来越得到国家和集团公司的重视和认可。胜利油田拥有丰富的地热资源，在地热利用方面具有天然的优势，在技术允许的条件下，合理地选择地热供热方式，不仅有利于能源的可持续性利用、环境的保护，同时还可以提高企业的经济效益，降低供热成本。2

另外，我国许多地区有较丰富的90℃以下的低温地热资源,用于供热,是用得其所;只要利用得当即可持续发展,仍能保护生态环境的完整性。10年来我国低温地热供热已积累了许多适用经验,开发低温地热起决定作用的是市场,按照价格规律,着力培育市场,地热供热可形成独立的产业,先供给城镇居民采暖、生活热水,根据可能再相继发展烘干、温室、养殖等综合利用产业,可成为乡镇地区的带头产业。实践经验证明地热开发利用可以获得高的经济、社会和环境效益。供热产业市场前景好,因供热是生活必需的;技术不太复杂,比较简便易学;在供热的基础上,还可以开发多项产业部门复合的综合利用技术;有推广价值;结合我国当前乡镇经济蓬勃发展形势,地热区域供热具有时间超前性与长效性;国内可提供软硬件配套的全部技术设备。各地可根据当地经济发展水平,分析近期市场需求变化情况,结合地热资源条件,抓住时机兴建地热供热产业,获取经济和社会效益。3

地热供热的主要形式地热供热常见的供热形式有三种：纯地热水换热供热、地热水换热+压缩式热泵供热、地热水换热+吸收式热泵供热。2

纯地热水换热供热从开采井出来的70℃的高温水，经过汽水分离器和旋流除砂器的处理后，进入换热器与二级网热水换热。换热后温度降至38℃，经过回注泵加压后注入回注井中。二级网热水（采暖热水）经过换热后，温度由35℃升高至45℃，为热用户供热。

此种供热方式的换热量与开采井出水量、出水温度和二级网供回水温度密切相关。参考胜利油田目前在用的地热井参数，假设新建开采井出水量为66m3/h，出水温度取70℃，排水温度取38℃。经计算，单井换热供热量为2.46MW，单个新建小区若热负荷需求在2.46MW的情况下，采用纯地热水直接换热的方式就可以满足供热需求。

地热水换热+压缩式热泵供热当开采井供热能力大于供热单元的热负荷需求时，地热水经过换热器与二级网热水直接换热，从换热器出来的地热水被直接注入回注井中；当开采井供热能力小于供热单元的热负荷需求时，地热水首先经过换热器与二级网热水直接换热，换热后的地热水温度降低至38℃，然后经过压缩式热泵，将热量传递给二级网热水，地热水最终降至18℃左右回注至地层。通过板换换热的二级网热水和经过热泵换热的二级网热水汇集在一起，进入热用户为热用户供暖。压缩式热泵的性能系数较高，一般在4～6之间。

地热水换热+吸收式热泵供热此种供热形式与地热水换热+压缩式热泵供热形式相似，不同之处在于，这里采用的是第一类吸收式热泵进行供热能力的补充。第一类吸收式热泵的性能系数大于1，一般为1.5～2，并需要采用集中供热的一级网热水作为吸收式热泵的驱动热源。2

适用范围平均地温梯度大于2.5 ℃/100 m,允许钻地热井的地区;需要和可能培育起集中供应生活热水市场的城镇住宅、工业区;可能投资兴建生产过程需要大量40～ 90℃热水企业的地区,如农产品低温烘干、蔬菜花卉温室、工业生产过程用热水漂洗等;冬季需要供暖的地区。3

供热生产过程工艺流程在供暖季抽出地热水经热水表、除砂器到换热器,加热供暖用的循环水;地热放热后进入曝气罐,用热风强制通风经曝气、加压过滤除铁后,送入储水箱;地热水再经加压泵向用户供生活热水。供暖系统循环水经换热器被加热,然后供至采暖用户的散热器或风机盘管,向室内供暖。如果设有供暖调峰,在严冬时部分水流经锅炉再加热后供出。在非供暖季,地热水直接进入曝气罐,经过滤除铁后送入储水罐向外供水。在非供暖地区,取消换热器,只设井口装置和水处理设施。

技术指标70℃的100 t/h地热水,约可供5万m2住宅建筑取暖;系统如增加一台2 t/h调峰锅炉,供暖面积可达到7万m2。井口装置、水处理和供暖系统可防地热水腐蚀;除铁过滤后供生活用地热水不污染卫生洁具;变频调速设备能按需调节抽取地热水,系统可节水节电。

市场条件在当地具有普通的地热资源条件下,开发低温地热起决定作用的是市场,第一步先要弄清市场有多大,市场在哪里,如何才能占领市场。供暖和供生活热水的消费需求与住的需求紧密相连,我国供热消费发展总的来看已进入初步发展期,人们对公共产品供热需求正急骤增加,这种需求有较可靠的培育性和可测性,是否有集中供暖在北方是住房销售的重要条件。集中供应生活热水和集中供暖的市场需求有较大差别。南方、北方居民都需要供应热水,是全年需要,但人们的热水消费量与经济收入水平关系密切,目前不仅是宾馆,有的住宅也希望全年有热水供应,这就要结合当地经济收入发展水平,分析近期增长变化速度,我国的需求正处于急速转变期中。

供暖与供热水是没有排它性的公共产品需求,要满足群众迅速增长的需求,只有走产业化道路,借助各方集资。目前有的地方政府允许有能力对外供热的单位收取一次性热源集资费。供每m2建筑采暖可收费额,较低的是50元/m2左右,用以筹建热源,这比自建锅炉房投资要节约一半左右。可以用此项集资筹建地热供热站,然后逐步发展滚动开发。已有锅炉房供热的区域开发地热,可把原有锅炉房作调峰和备用热源,锅炉房仍然有用。天津和西安地区大约有一半的地热井,是在原已有锅炉房集中供热的区域发展起来的,地热利用向深度和广度开发寻求效益的机会是众多的。目前情况大多是一口地热井建成后,先用一部分热供暖、供生活热水;随着地热供暖需求扩大,逐步发展把地热用足;然后增加调峰锅炉房,再扩大供暖面积;下一步是开展全年综合利用项目,提高地热利用率;再进一步可以是利用水源式热泵,从地热排放水中提取热量,继续扩大供热效益。3

地热供热的投入地热开发投入是初投资和运行费,有下面几个主要构成因素。

初投资①井费主要由井深决定。目前最常用的地热井套管直径224 mm(958in)的全部钻井费,在井深为1 000～ 3 000 m范围内,市场价格可用每m深费用1 200元左右估算。

②井口设备包括耐热潜水电泵、密封井口装置、除砂器、变频调速设备等。目前一口出水量100 t/h左右的地热井,井口全套费用大约30万元。

③换热站地热直接供暖不需要换热器;用间接供暖时,大多数情况下,要用钛板换热器才能抵抗地热水的腐蚀。相应于供暖住宅建筑总面积,每m2供暖面积,换热设备和安装费投资大约要增加6～ 12元。

④调峰加热设备有人认为低温地热供暖温度不够高才加调峰措施,这是一种误解,甚至在地热水温超过95℃时,地热供暖也应加调峰措施。因为地热系统的初投资高,运行费低,正适用于供暖的基本负荷;相反调峰措施初投资比地热低,燃料消耗费高,用于尖峰负荷,累积燃料消耗少。地热加调峰两相配合,可扬长避短,地热利用率可提高,供暖面积可大幅增加。确定调峰设施容量是较复杂的问题,先要按用户近期或远期供暖高峰负荷要求;其次要依地方条件、环保要求,然后再由技术经济条件决定。涉及调峰设备的初投资、热源种类和热源价格,目前可考虑的方式有燃煤、燃气、燃油和电热。初投资和热源价格低的,调峰容量可选得大一些;反之,就应把调峰容量选得小一些。变化范围可以是供暖高峰设计负荷的5%～ 50%。

⑤室外管网地热直接供暖,室外管网通常只一根,但要根据地热水质,适当考虑防腐措施;如用地热间接供暖,换热站以后的管网与锅炉房供暖方案投资是相似的。

⑥终端散热设备如果选用普通铸铁散热器,投资费与锅炉供暖相比,其差别取决于利用温降的区别。为提高地热利用率,要尽力降低排放水温,这要以增加散热器的散热面积为代价才可能实现。普通室内供暖散热器的散热能力是由散热器平均温度与室内空气温差决定的。以常用的铸铁四柱813型散热器为例,如用tg1= 70℃、th1= 45℃作为设计工况下的地热供暖系统所需散热器面积为f1,与tg= 95℃ ,th= 70℃常规供暖系统所需散热器面积f相比较,在室内散热量相同情况下,散热器数量要增加将近一倍,即f1= 2 f。如果认为管道安装费相同,每m2建筑供暖造价就要额外再增加30%～ 40%。10年来,多项原常规95℃/70℃系统改用低温地热供暖时,增加的散热器片数量,并不需要像上述计算方法算出的那样多。这是由于地热供暖是连续的,运行经验和测定分析告诉我们,我国目前多数供暖系统,用于可靠的连续供暖时,已安装的散热器余量甚大。用低温连续供暖时,不能简单地在原95 ℃/70 ℃系统上叠加散热设备,应当正确确定单位面积建筑热负荷,避免浪费终端散热设备。

运行费运行费主要包括:电费、地方收取的地热水资源费和调峰锅炉消耗的燃料费。3

地热供热的产出供暖收入目前可以用18.5元/m2作为与京津地区相似的住宅建筑在供暖期(120～ 150 d)的收费参考价格。供暖毛收入可用供暖建筑面积× 18.5元/m2估算。对不同的供暖地区,供暖天数如有较大差别,可按当地供暖天数与京津地区比较折算确定价格。如,一口地热井出水量100t/h,水温70℃ ,供暖利用温降25℃ ,则供暖后排出水温为45℃。可供出热量为QD= 100 000× 25× 4.186= 2.907kW。设每m2供暖耗热指标为60 W/m2,则此地热井可供暖面积为AD= 48 450 m2,表明一口井大约可供50 000 m2取暖。如果设供暖高峰负荷的30%由调峰措施负担,系统的供暖面积将可扩大到69 214 m2,此时供暖季调峰累积耗热量大约不超过供暖季总耗热量的10%。

值得注意的是,因地热是连续供暖,选择供暖单位面积热负荷q时,可不留余量;要在建筑使用允许的条件下尽可能地多布置散热器或适用于低温的终端散热设备,扩大利用温降,降低排放水温。

由技术经济分析和多项工程经验得出,经济效益接近最高时,适宜的排放水温,大多数都在40℃以下;如与燃煤锅炉房供暖相比较,在两种系统效益相同情况下,求得的最低排放水温大多在30 ℃左右。此时散热器面积要有较多的增加,如布置散热器过多影响了建筑效果是不妥的,因此低温供暖设计不是受排放水温的制约,而是受选用什么样的散热设备、能布置多少散热设备的制约。在没有条件做详细分析时,只要散热设备能布置,设计选定离开散热设备的水温在40℃左右,通常经济上是不会吃亏的。

供生活热水的收入地热水含有各种矿物质,我国已开采的低温地热水所含矿物质用于生活洗浴时,绝大多数对健康都是有益的,有的能治疗某些疾病,与旅游、疗养产业结合有很高的效益,因含有过量放射性物质而不能用的地热水很少遇到。现仅就作为普通生活热水、节约热能角度与其他热源比较讨论其价值。1 m3 5℃水加热到45℃ ,需耗净热量46.5 kWh。如以煤为燃料,约为3元/m3;以燃气为燃料,约为6.0元/m3;用电加热约为20元/m3。计算

中如果再加入各种燃烧设备的初投资和负荷的初装费分摊,热水供应的成本还要高许多。上述参数可以作为销售生活热水的参考价。热水供应通常是全年负荷,它的经济效益比供暖高,所以在我国南方如福建、海南等不需供暖的地区,低温地热开发也有高效益。

地热先供采暖,后供生活热水是可行的。是否有矛盾,取决于热水负荷,如果全年热水负荷已全部满额,就不可能再考虑供暖,因为热水负荷效益比供暖高,但这种情况在北方通常是非常罕见的。

地热水含有的铁离子常常超过用水标准,供热水前要经过曝气、除铁过滤处理。供热水所需的水处理设备、贮水箱、定压供水变频控制、用户防腐热水表和干管定温排放阀等等,都需要投资,但与以m3计价的销售收入相比,只要情况基本正常,产出仍常会数倍大于投入,能得到高的回报率。最大的问题是能否培育和组织起用户市场。生活热水的毛收入可用年供出水量×每m3热水价估算。

综合利用收益搞综合利用,第一产品要有市场,第二要有经营、生产专家,第三才是用好地热能。大多情况下地热是辅助条件,但在有的乡镇地区有机会成为关键性的启动产业,获得高的经济效益。它的收益要有可信的可行性报告才能估算。3

开发地热的风险市场风险由于热水和供暖是生活需要，是公用产品,市场一经建立它就是稳定的，近期几乎没有因竞争而丢失市场的风险。

钻井投资风险取决于对地下水文资料的掌握和钻井技术,有可能出现完井后出水量和水温偏离设计预想的情况。投资方可以要求开发地热地质、钻井设计单位承担,或者由钻井公司承担风险。目前在我国可能由钻井公司与投资方共同承担更为实际可行,具体条款可在签定钻井合同时确定。

地面沉降根据天津地质专家的观测,超量开采引起的地面沉降,主要是由粘性土层压密造成的。据分层标观测资料,粘性土层压密造成的沉降约占77.6%,砂层占22.4%[1]。在沉积层开采浅层的地热水会引起较大的地面沉降,应慎重观察和逐步采取回灌措施;开采较深的基岩层地热水,通常对地面沉降影响甚微。

热污染为满足室内供暖需求,在严冬时地热供暖后的排放水温最高、水量最大,首先可以靠综合利用,如供生活用热水、水源式热泵、越冬水产养殖等,必要时可用人工喷泉结合设计冬季景观实现降温,可以避免排水对环境的热污染。在非供暖季地热水根据用水需要量出水,依靠井口变频调速器控制,没有多余水量不会有热污染。3