地热清洁供暖系统中成本管理及能效提升策略探究

牛海瑞，，王俞文，刘健，宋新强

（1.中石化新星山东新能源有限公司，山东东营，257000；2.中石化新星河南新能源开发有限公司，河南郑州，450000；3.中石化绿源地热能(山东)开发有限公司，山东德州 253600；4.东营市自然资源和规划局河口分局，山东东营，257000）

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，应用性好且具有竞争力。加快开发利用地热能不仅对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义，而且对培育新兴产业、促进新型城镇化建设、增加就业均具有显著的拉动效应；也是我国促进生态文明建设的重要举措，是推进能源生产和消费革命、构建清洁低碳能源体系的重要选择。目前国内外研究主要集中在地热能的开采利用技术探讨、开发利用现状研究、经济效益分析和政策建议等方面[1-3]，对地热供暖的能效提升研究较少。基于此，该论文从地热项目的成本控制管理分析入手，重点分析了地热供暖系统的能效提升对策，以期为科学合理评价地热供暖项目的综合效益及后续可持续开发利用提供参考。

1 地热资源开发利用现状

按照在地下的赋存状态，地热资源可以划分为水热型、地压型和干热岩型三大类，其中水热型地热资源是目前利用最为广泛和成熟的。我国水热型地热资源储量非常丰富，每年可采资源量折合标准煤19亿吨，被广泛应用在城镇供暖、农业种植、医疗洗浴和旅游开发等产业中。在地热直接利用构成中，地源热泵占58.8%，地热供暖占19.5%（含空间供暖16.0%和温室供暖3.5%），温泉洗浴占18%，详见图1[4]。2014年，我国地热供暖比例首次超过温泉洗浴，充分说明我国地热资源能源化利用步伐正在加快。尤其在我国供暖需求市场广阔的北方地区，资源分布区与供暖需求城市区恰好吻合，地热供暖正逐渐成为可持续发展项目的重要组成部分。

图1 地热能各领域直接利用结构

由于地热采暖不仅可节省煤炭的运输成本和空间占用，还可大量减少二氧化碳、氮氧化物等有害物质的排放，避免大气污染，能有效替代常规能源。近年来，利用中低温地热能源供暖的规模不断增长，主要以传统水热型地热资源供暖的方式，年均增速约20%。中国石化坚持以地热资源梯级利用为导向，以地热开发利用“雄县模式”为模板，新形势下又提出继续打造20个地热供暖无烟城，在我国河南、河北、山东、湖北等省的多个区域得到推广应用，均取得了较好的社会效益和经济效 益[5]。在多年的发展过程中，中国石化新星公司逐步建立了一套完整的包含资源勘查与评价、钻井成井工艺、梯级利用、保温与换热、防腐防垢、高效运营、尾水回灌技术体系，为我国中深层地热清洁供暖的可持续发展提供了实践经验与创新引领。

2 地热供暖成本控制管理

2.1 成本构成

一个完整的地热项目建设，主要包括热源部分（地热井建设）、供热泵房和末端散热部分。目前常见的地热利用形式为水热型，主要采用钻井将地下热水提升至地面，通过供热站房热交换器将热量换出，循环泵将获得热量后的循环水通过集水器、分水器、散热器等设备输送给用户。对一个供暖面积相对固定的供暖系统来说，泵房、末端的总投资和其本身的运行成本相对变化较小，因此，一个地热井供热站的投资、运行成本及投资回收期主要取决于地热井凿井费用、热源质量（稳定的流量和温度）及供暖设计水平等。

项目建设完成后，涉及的运营成本要素比较繁杂，除基本的供暖所需的材料、水和电的消耗、耗时的人工、折旧翻新等费用外，还包括管理成本、间接生产成本及税金开支。供暖企业当前运用的原则是遵循从上至下的分级管理以及分层控制，各部门都需要对各自负责的成本指标进行调整与分化，比如因动力所需的燃料费用的控制由公司成本核算部门负责；供暖所耗费的人工费用由人事部门负责；供暖设备的检查和维修等产生的费用由运营部门负责；全部项目的费用分析需交财务部门负责等。

从图2供暖运营成本构成可以看出，电费在供暖成本中的占比最大，为33%；其他供暖运营成本支出占比不同。可控制的区间范围仍然很大，任何一个环节不注重成本控制和能效优化，都有可能导致综合运营成本高于平均水平，甚至影响项目整体收益。

图2 地热供暖运营成本构成

2.2 成本控制措施

2.2.1 开发阶段

开发阶段企业的生产成本应得到有效控制。科学、合理的对企业供暖系统进行设计、改进，在地热项目开发过程中使用新设备、新技术，均可以提高资源的有效使用率；同时在供暖成本上，要考虑投资、成本消耗因素。

2.2.2 实施过程

供暖企业的主要成本几乎都发生在实施过程中。科学、合理的制定相关的成本控制措施，可以有效降低生产成本，从而确保实施过程有序、顺利进行。主要归纳为：其一，成本管理人员需要根据目前供热企业的实际情况，分别从热力供应、生产材料加工与原材料购置等方面开展成本分析，强化对供热成本调控方式和调控强度关系的有效分析。其二，在遵守国家热力资源供应要求的基础上，通过科学的社会数据调查与统计方法，仔细分析具体的供热需求，以合理调整企业的投资成本，确保区域内地热供暖强度可以满足客户实际要求。其三，采取综合分析方法整合成本调节方式，对于单方面效益满足问题予以规避。

3 地热供暖系统能效提升对策

虽然我国地热清洁供热产业已具备一定的规模，但在热源匹配、调节控制、数据监测、设备质量、技术含量以及运行管理等方面还不能满足实际供热需求。在长期运行中，所在地区的气候条件、地热资源的品质、不同类型建筑物的采暖热负荷以及室内采暖系统和城市建设的发展规划都会影响地热供暖系统的稳定发展。因此，要坚持“整体规划，分布实施、资源先行、综合利用、科学开发、环境保护”的发展目标，综合考虑到各种因素，从以下六个方面入手，进一步提升地热清洁供暖系统的能效利用水平，以实现地热供热产业与城市经济、社会、环境发展的共赢。

3.1 地热资源目标层系的选择

重视资料收集和实地调查，提高选择目的层的准确性，并针对该目的层的埋藏深度及产热参数，结合项目情况进行初步经济性分析。不同类型的热储，在平面和垂向上的分布规律不同，要针对不同类型的热储开展储层分布规律研究，明确储层在平面和垂向上的分布特征，合理制定完钻深度和取水层段。同时，在项目正式开发前，要合理确定井数和井位，根据实际情况控制采灌井间距。不因井距过小而产生热突破，不因井距过大达不到开发要求。

3.2 优化钻完井技术

一是要选择合理的钻完井方案。根据不同地层采用不同的井身结构，选择合理的钻具组合，优选套管和固井材料。二是选择专业化的钻井队伍。钻井队伍要具有相应的资质、人员培训上岗证书、设备完好、具有地热钻井经验。三是要充分考虑地热井和油气井井控要求、地质情况、开发环境等因素，在有参考井或者开发区域较为成熟的地区，建立适合地热井的井控标准和HSE标准，降低钻井施工成本。四是优化井身结构，在保证井筒完整性的前提下，尽量减少套管层次，满足泵的尺寸要求，降低成本。五是要合理进行固井水泥浆体系和固井工艺的选择，考虑温度和腐蚀，优选符合地热井开发条件的封隔器和悬挂器。

3.3 提高工艺设计与建设的经济性

一是对于区域性地热供暖项目，要按照统一规划、分步实施的原则，充分考虑现有供热负荷及未来用户的增加，分批次投资建设，确定每一期项目的换热站产能、设备选型，避免一次性建设产能过剩，同时降低企业资金压力。二是要注意地热资源的综合与梯级利用。根据不同的用途，综合利用地热资源，使地热终端消费多元化，梯级化和集约化开发，将地热水的温差“吃干榨尽”， 实现地热尾水全部回灌，降低对地下水资源的破坏和浪费，地热梯级利用方案见图3。三是根据用能负荷需求实时变化的特征（其中需考虑不同公建、民建的供热特点，不同末端的负荷差异等因素），制定最为节能的运行策略，并合理设计调峰设备（热泵、燃气锅炉等）的装机容量及运行时段，实现优化投资，优化运行成本。四是在换热站建筑材料方面，要结合绿色建筑要求，完善站内保温措施。站内采取标准化、模块化、撬装化设计，缩短施工周期。

图3 地热梯级利用方案

3.4 优化管网路由设计

因地热井及站内井网相对较短，单站供暖面积也相对较小，因此优化空间不大。一是对于地热水，确立合理的流速，降低摩擦阻力；高腐蚀地区可以采用玻璃钢或者PE管；采用硬质聚氨脂泡沫塑料黄夹克一次成型保温。二是对于站内管道，宜采用硅酸铝镁管壳或橡塑材料保温。管网敷设尽量直埋；选用最节省管材的枝状管网；若多对井同时生产并共用管网，在井口增设流量和压力远传，便于调节水力平衡。三是供暖二次侧可考虑增加调节阀或者平衡阀，避免出现水力不平衡引起的冷热不均。合理设计管网路程，通过水力平衡，防止出现部分用户过热，部分用户过冷的现象。

3.5 提高精细运营管理水平

一是要做好供暖末端管理，减少末端及管网跑冒滴漏，实现节约补水量、降低循环泵电耗。二是对于住宅楼，要做好分户管理和分户控制，一方面维持供热温度达标但不过高，另一方面对无人房屋或未交费房屋停止供热，避免用户端热量浪费。三是日常检维修时要定期清洗换热器，减少污垢热阻，提高换热效率。可安装电磁阻垢器，减少地热水在管道中的结垢。四是基于能源侧、管网流程、用户侧末端，根据供热规模、温度的变化，及时合理调整供热负荷，以系统能效为目标优化生产管理流程。同时要完善预警反应机制，针对管网损坏、设备异常等情况，建立完善的预警——处置——反馈机制，缩短维修时间，提升运行效率。五是尽量采用智能控制系统，根据环境温度及用户侧温度监测，反馈至控制系统，调节变频循环泵、热泵等设备，实现系统优化运行，降低系统能耗。六是针对性地控制换热站运行中电、水、人工及维修费等主要成本费用。按照质调节量调节、高峰低谷期合理调整，最大限度节约用电；通过先进的监控设备加强检测，减少跑冒滴漏，降低漏水率。减少用工量，做到无人值守或者少人值守，降低人工成本。

以东营市西湖供暖小区为例，该小区地热供暖项目总供暖面积为20万平方米，配套建设一座地热站，两口采水井＋两口回灌井，利用地热水作为供暖热源，冬季为地暖系统用户提供45℃/35℃热水。单口生产井出水温度为68℃，出水量为80 m3/h。供暖系统采用“板式换热器＋热泵机组提温”方式。2020－2021年供暖季运营总成本中，折旧费占比41%，电费27%，人工费15%，检维修费用8%，其他费用共9%。相比上一供暖季，单位耗电同比降低0.51元，降幅9.37%。主要采取措施是对气液分离器进行技术革新，停用了气液分离器三台循环泵，节省了用电量。根据室外天气情况，阶段性降低循环泵的频率，也节约了用电量。相比上一供暖季，单位水耗比去年同期降低0.13元，降幅32.8%。每天对各站耗水量进行统计、分析、巡线，发现漏点当天处理不隔夜，提高了管理时效性。相比上一供暖季，单位维修费比去年同期降低1.24元，降幅53.43%。主要措施为优化维修流程，扎实做好夏季检修工作，“冬病夏治”提高了检修质量。

3.6 热用户方面的节能提升措施

用户节能措施的好坏关系到热用户的用热效果和用热费用，因此有必要对此进行分析，提出应采取的节能措施。一是加大热用户室内散热设备的更新工作，多采用钢制散热器，采暖系统形式也应从单管系统设计改成为分户计量设计，同时在系统上安装调控阀门，对进入热用户的供热水量根据用户的室温变化情况进行调节，从而使热用户按其需要自行调节供热量，达到节约能源和节省供热费用支出的目的。二是市场经济下需要新的供热管理机制，使大家都认识到热是一种商品，用热就得花钱，改变福利供热的观念，并逐步将按建筑面积收费改为按热量收费，根据合理的收费，调动热用户的节能意识。

4 结论

在“碳达峰、碳中和”的背景下，地热清洁能源供暖系统必将发挥其低碳环保、清洁高效的优势，深层次推动能源产业结构调整，改变经济社会的运行轨迹。但在地热供暖产业规模化发展中，需要注重在开发初期、实施阶段及运营管理等全过程进行成本分析及控制。同时要认识到，建筑规模的特点、地热热源的稳定性、室外供热管网的现状、供热系统的运行情况、实际供热能耗及企业管理和技术力量的配备情况都会影响供热系统整体能效的提升。因此，合理优化、整体提升供热系统是提高地热能有效利用率和供热运行效率的关键所在。要结合实际情况，采取相应的节能措施去实现地热供热能效提升，在促进我国地热清洁供暖产业健康快速发展的同时，助推国家环保节能工作和“双碳”目标的实现。