中深层地热资源供暖的环保效益探究

陈家玺

（北京市地热调查研究所，北京 102218）

1 地热及地热供暖概述

当前，我国已经成为世界上最大的能源生产和消费国[1]，最大的碳排放国[2]，能源生产体系呈现出煤、油、气、核和可再生能源多轮驱动的模式，但能源结构呈现多煤、少油、缺气的现状。我国2020年的能源消费总量约49.7×108t标准煤[3]，其中近六成为煤炭消费，即近30×108t标准煤。目前，“碳达峰”“碳中和”的目标成为我国今后一个阶段产业发展的指导方向，这势必会影响我国能源消费的格局，甚至掀起一场新的能源消费革命。从资源禀赋方面考虑，我国应该重视可再生能源尤其是地热能相关产业的发展[4]。

地热是大量蕴藏于地球内部的、集“热”“矿”“水”于一体的洁净自然资源。地热能主要来源于地球深处的熔岩岩浆和放射性物质的衰变。有学者估算，地壳深度5000 m范围内储存的天然热量高达14.2×1023kJ，相当于 5×1011t标准煤[5]，几乎相当于全球煤炭探明储量的一半（2019年全球煤炭已探明储量为1.07×1012t）。地热能源的储量如此之大，可以称得上是取之不尽、用之不竭。同时，地热能在消费过程中不产生二氧化碳、二氧化硫等对环境有害的气体，不产生废渣等固体废物。与其他清洁能源相比，地热能具有自身独特的优势，相较于核能更安全可控，相较于风能更稳定，相较于太阳能更高效。除此之外，地热能还具有运行成本低、可就地利用、综合利用性强等优势[6-9]。

1930年，北欧国家冰岛开始尝试开发地热资源用于采暖，取得一定成果后不断扩大开发规模，20世纪90年代，其首都雷克雅未克的供暖已全部依靠地热，实现了供暖零碳排放。我国的地热供暖开始于20世纪70年代北京火车站车站维修班的一间办公平房，工人们铺排用于洗浴的地热水管道时使管道在办公室绕了个圈从而造就了原始的地热取暖方式[10]。当前，地热供暖相关的技术与设备迅猛发展，截至2019年年底，我国浅层和中深层地热能供暖建筑面积已经超过11×108m2。

中深层地热资源是指储藏在中深层岩土体中，具有开发利用价值的地热资源，深度一般可达2000～3000 m。中深层地热资源作为一种可再生资源，部分地区已开始尝试将其用于市政供暖并且取得了不错的成效。本文以成熟运营中深层地热资源开发用于供暖的北京某小区为研究对象，通过采集有效数据，选取合理参数，对利用中深层地热资源进行供暖的环保效益进行量化，从而为推广普及该供暖模式提供具体的数据支撑，进而展示中深层地热资源开发对“双碳”目标贡献的潜力。

2 研究区概况

北京某开发公司为节省经济成本和实现清洁供暖，在某小区投资钻成3口地热井：1口开采井、1口回灌井和1口备用井，并成功建设中深层地热资源开采系统，从而建立了中深层地热资源与燃气锅炉有机耦合的复合式供热系统。目前该供暖模式已有效运行10余年，成为中深层地热供暖行业的先行示范，取得了良好的环境效益、社会效益和经济效益。

2.1 区域地质及成井情况

该小区所属研究区位于北京市，所处位置在地貌上属于平原区，大地构造分区上位于中朝准地台（Ⅰ级）燕山台褶带（Ⅱ1）西山叠坳褶（Ⅲ2）门头沟叠陷褶（Ⅳ）与华北断坳（Ⅱ2）北京叠断陷（Ⅲ）顺义叠凹陷（Ⅳ）的交界部位。从区域地质上看，研究区位于九龙山向斜向东延伸之东南翼，来广营隆起的西侧。本区在地貌上为平原区，在黄庄－高丽营断裂以西，第四系厚度约100～200 m，下伏地层主要以侏罗纪火山沉积岩为主；以东，厚度约200～300 m，第四系以下有新近系沉积。区内及其附近分布的主要构造有黄庄-高丽营断裂、八宝山断裂、顺义断裂、北苑断裂和南口-孙河断裂。

研究区的3口地热井均为“四开”井身结构成井，“一开”采用Φ444.5 mm钻头钻进，“二开”采用Φ311.1 mm钻头钻进，“三开”采用Φ215.9 mm钻头钻进，“四开”采用Φ152.4 mm钻头钻进，终孔深度分别为 3648 m、3238 m、3349 m，钻进过程中钻遇地层有第四系、新近系、侏罗系、石炭系—二叠系、奥陶系—寒武系和蓟县系。研究区地热井热储层为奥陶纪—寒武纪灰岩、白云岩和蓟县纪白云岩。

2.2 供暖系统

该小区供暖需求为冬季供暖120天，建筑面积3.8×105m2。地热井出水温度为74℃，可以开采的供热取水量为2540 m3/d。地热原水经多级利用后进行同层回灌，回灌温度为25℃，依据计算得到该地热井可以供应的热负荷P为6.05MW（计算过程如下）：

式中c表示水的比热容，ρ表示水的密度，q表示地热水流量，Δt表示温度差。

该项目冬季供暖方案采用地热阶梯利用供暖系统。该系统主要组成部分包括一级板换、二级板换、三级板换、四级板换。地热水出水温度为74℃，在依次通过一级板换、二级板换、三级板换、四级板换分别完成温度梯级供应后，水温降至25℃回灌温度，从而实施同层回灌。

3 环保效益评价指标体系

环保效益评价指标体系的建立对分析中深层地热资源供暖的环保效益至关重要。现阶段，地热资源的开采使用遵循“取热不取水”和同层回灌的原则，所以地热能的消费过程不仅杜绝了二氧化碳、二氧化硫等废气的排放，也没有废水的排放，更不会产生固体废弃物。中深层地热资源相比于煤、天然气等化石燃料，其优势主要在于节能和减排，所以本文初步将环保效益评价指标体系划分为2个子体系：节能指标体系和减排指标体系。其中节能指标体系由节能量组成，为了能够直观地表述节能量，本文引入节煤量、节气量、节电量三个指标对节能量进行折算转化；减排指标体系由CO2减排量、SO2减排量、NOx减排量、悬浮质粉尘减排量和煤灰渣减排量组成。

4 计算

4.1 节能量计算

地热资源开发节能量的具体数值可以通过公式进行计算。该供暖系统取水量为2540 m3/d，一个取暖季为120天，开采总量为304800 m3，地热井出水温度为74℃，经多级利用后回灌温度为25℃。

一个采暖季的节能量为Q：

由式（2）（3）（4）可以得出节能量Q的计算式为：

上式中c表示水的比热容，ρ表示水的密度，q表示地热水流量，t表示时间，Δt表示温度差。

已知c=4.2×103J/（kg·℃），ρ=1.0×103kg/m3，代入相应数值后可以得到：

也就是说地热供暖一个采暖季的节能量为6.2×1013J。

4.2 折算电、标准煤、天然气

4.2.1 折算节电当量

通过以上公式计算，地热取暖一个采暖季可节省能量6.2×1013J，若不考虑电能转化为热量的损耗，节省的能量换算成电量为1.72×107kw·h。

4.2.2 折算节约标准煤当量

为了呈现更直观，地热水的节能量也可以折算成标准煤进行计量（表1）。

表1 地热水开采所获热量与之相当的节煤量

所以得出该研究区采用中深层地热资源供暖每个取暖季节省标准煤的质量为2115.49t。

4.2.3 折算节约天然气当量

已知节能量，根据天然气的热值就可以求得节省天然气量。我国各地天然气的热值不同，依据国家标准《天然气》（GB17820-1999）对天然气热值的规定：高位发热值>31.4 MJ/m3，这里取天然气热值q为 31.4 MJ/m3。

上式中Q表示节能量，q表示天然气热值。

计算得1.97×106m3。也就是说，该研究区采用中深层地热资源供暖每个取暖季节省天然气1.97×106m3。

4.3 环保效益

根据由国家发改委、国家能源局等多部委联合印发的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》，截至2016年年底，我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206×108m2。其中燃煤取暖面积约占总取暖面积的83%。所以，在评估地热取暖的环保效益时采用相当节煤量的减排量（表2）。

表2 地热供暖一个采暖季相当节煤量M的减排量

该小区每个采暖季开采地热水304800m3，对应的节煤量为2115.49t。依据表3，计算地热水开采一个采暖季相当节煤量的减排量如下：

表3 环保效益计算结果

CO2：2.386×2115.49=5047.56（t）；

SO2：1.7%×2115.49=35.96（t）；

NOx：0.6%×2115.49=12.69（t）；悬浮质粉尘：0.8%×2115.49=16.92（t）；煤灰渣：0.1%×2115.49=2.12（t）。

4.4 计算结果

经过计算，结果如表3所示。

该研究区地热供暖的取水井为1口，1个采暖季供应的热量达6.2×1013J，节煤当量为2115.49t（节气当量1.97×106m3或节电当量1.72×107kw·h），同等节煤当量条件下的CO2减排量为5047.56t，SO2减排量为35.96t，NOx减排量为12.69t，悬浮质粉尘减排量为16.92t，煤灰渣减排量为2.12t。

5 结论与建议

从对该供暖系统的研究可以得知，单口地热井运行1个采暖季所节省的能量折算成标准煤高达数个千吨级，减排CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘和煤灰渣的量也颇为可观，使用地热供暖具有良好的环境保护效益。当前，我国北方地区居民的供暖需求日益剧增，而我国的大气污染区也集中在北方，在满足人民群众日益增长的消费能源进行供暖需求的情况下，不让空气污染加剧甚至改善大气环境，地热供暖是一个很好的解决方案。地热资源是一种宝贵的清洁能源，国家和政府应该大力扶持和引导地热产业的发展，从而实现对地热资源的合理开发、合理使用。应该遵循“在开发中保护，在保护中开发”的原则，做到“取热不取水”、采灌结合+同层回灌，在利用过程中厉行节约，做到梯级利用，在遵循使用规范的基础上使地热水的热量发挥最大效益。