基于不同原理熱泵的地熱梯級利用技術經濟分析

王天任，李宏武，金光彬，李 昊

(1.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京 100083；2.國家地熱能源開發利用研究及應用技術推廣中心，北京 100083)

地熱資源是指能夠經濟地被人類所利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用組分，是一種綠色低碳、可循環利用的可再生能源[1]。我國地熱資源主要為中低溫水熱型地熱田，具有分布廣泛、儲量巨大、開發利用難度較低等特點，已經成為一種新型的可再生能源。為了充分利用地熱資源，根據“品味對口，梯級利用”的用能思想實現地熱能的梯級利用提升能轉化效率。郭嘯峰等[2]以實際工程為背景介紹了采用地熱水高溫部分發電、低溫部分直接供熱、凝汽器熱回收供熱、尾水利用熱泵供熱的地熱梯級利用技術。付林[3]等提出了首先利用高溫熱源水進入發生器自驅動吸收式熱泵，然后利用熱泵發生器出水與二次側直接換熱，換熱后再作為低溫熱源進入熱泵蒸發器通過熱泵提升能量品味到與二次側一致，以實現熱源水逐級換熱的吸收式大溫差換熱技術，達到增加取熱量、降低回水溫度、減少運行費用的目的。

受自身特性限制，吸收式熱泵的發生器驅動熱源溫度要不低于80℃，且熱泵能效比與熱源溫度成正比[4]。然而在我國分布廣泛的中低溫地熱田大多低于這個溫度，因此在地熱領域較少有吸收式換熱技術的應用。但吸收式換熱技術可由中高溫地熱水直接驅動，減少高品位的電能消耗。因此，發展一種直接由一次能源自驅動的地熱梯級利用技術具有很強的現實意義。

1 系統設計

根據《地熱供熱站設計規范》NB/T 10273-2019，地熱供熱站可以分為地熱水系統、間接換熱系統、供暖循環水系統、定壓補水系統、回灌系統等5個部分。由于地熱水具有很高的礦化度且Cl-離子含量較高[5]，對金屬管道具有很強的電化學腐蝕作用[6]，不能直接進入用戶管網及熱泵蒸發器等設備，所以需要通過換熱裝置隔離地熱水系統與供暖循環水系統。

目前，地熱梯級利用技術主要有兩種：壓縮式熱泵地熱梯級利用技術和吸收式熱泵地熱梯級利用技術。基于壓縮式熱泵的地熱梯級利用技術的原理圖如圖1所示。地熱流體首先經過一級板式換熱器與供暖循環直接換熱，換熱尾水通過二級板式換熱器進一步提取低溫熱量并用與壓縮式熱泵蒸發器提升溫度后供給用戶。經過梯級利用的地熱尾水經過回灌系統注入采出地層。這種系統需要用電機或透平機來驅動熱泵，消耗一定的功。

圖1 壓縮式熱泵地熱梯級利用原理圖

利用吸收式換熱機組的地熱梯級利用方法，無需壓縮式熱泵機組，地熱流體首先進入一級板式換熱器與發生器循環水進行換熱，再進入二級板換與供暖循環水進行換，最后地熱尾水進入三級板換與蒸發器循環水進行換熱，完成大溫差換熱過程，系統原理圖如圖2所示。供暖循環水系統的熱量主要由熱泵發生器冷卻水熱量、二級板換直接換熱熱量、吸收式熱泵提取地熱尾水的低品位熱量等三部分組成。其它各地熱水系統、供暖循環系統、定壓補水系統、回灌系統與壓縮式熱泵地熱梯級利用技術相同。

圖2 吸收式熱泵地熱梯級利用原理圖

2 兩種技術對比分析

2.1 算例設計及初始條件

華北地區中低溫度地熱資源豐富，地溫梯度為3～4.5℃/100 m，中國地質調查局在華北某地實施地熱資源探井一口，完鉆井深3800 m，目的層為薊縣系霧迷山組白云巖，試水流量為120 m3/h左右，試水溫度為106℃，其試水溫度高于驅動吸收式熱泵發生器運行的最低溫度，可以作為自驅動熱源。為了保證地熱資源的可持續性，需要結合熱儲特性配置相應數量的地熱回灌井。

以某特色小鎮為背景，建立研究算例，進行技術方案比選研究。該區域占地面積約為2 km2，總建筑面積為200×104m2，其中民用建筑170×104m2，公共建筑30×104m2，民用建筑熱指標為30 W/m2，公共建筑熱指標為40 W/m2，冷指標為90 W/m2，不同種類建筑的冷熱負荷詳見表1。對民用建筑只考慮供暖，公共建筑既供暖又供冷。供暖季為11月15日-3月15日，制冷季為6月1日-9月15日。

表1 不同類型建筑物冷熱負荷表

建立以內部收益率為評價指標的方案經濟性評價體系。其中，收費價格參考北京地區冷暖價格體系，居民暖價30 元/(m2·年)，非居民暖價42 元/(m2·年)(含稅價)，冷價按42 元/(m2·年)(含稅價)。

水電費等參考河北省當地價格，其中電價參考居民電價0.463 kWh/元，水價參考非居民水價8.09 m3/元，不考慮職工薪酬、地熱水資源稅、維修費、材料費及銀行利率等其他運營成本。

設備折舊采用直線折舊法，計算期為30年，固定資產折舊按平均年限法計算折舊，殘值率為0%，折舊年限分別為：地熱井25年，設備14年，直埋管道20年。

2.2 不同系統經濟性分析

根據2.1節所建立的算例，對算例區域建立一座以中深層地熱為熱源的能源站，用戶側供回水溫度為35℃/45℃，地熱井布置均按照理想情況考慮，僅考慮地熱井到能源站的一次管網，不考慮連接用戶的二次管網，完善兩種不同原理的地熱梯級利用技術方案并開展經濟效益分析。根據實際工程項目建設經驗，壓縮式熱泵機組概算價格為0.4 元/W，吸收式換熱機組為0.3 元/W。單井換熱量12.6 MW，由此可知需要5口生產井方可滿足整個算例區域的地熱供暖負荷，再結合當地熱儲條件配備相應的回灌井后，不足部分熱負荷采用燃氣鍋爐補充。

表2 新建社區收費率變化情況 %

根據實際項目經驗估算，當按照新建社區考慮時，收費率情況按照表2所示變化，兩種技術路線的內部收益率結果如表3所示。結果表明，由于當地的資源條件好，兩種方案的內部收益率均較高，在80%入住率的情況下，分別為18.84%和18.03%。同時，壓縮式熱泵方案在不同入住率情況下，經濟性指標均高于吸收式熱泵技術，但隨著入住率的提高而逐漸縮小。這主要是因為兩種方案均是按照算例的滿負荷工況設計測算的，吸收式熱泵設備初投資較大，且單機功率較大調節靈活性較差，在低負荷運行時經濟性不如初投資低、單機功率低的壓縮式熱泵梯級利用方案。

表3 新建社區時不同技術路線下收益率變化情況

圖3 不同收費率下的年用電成本變化情況

隨著入住率的提高，吸收式熱泵梯級利用技術的優勢逐漸顯現出來。在入住率為80%時，壓縮式熱泵方案的運行成本為129.76萬元/年，高于吸收式熱泵方案的86.68萬元/年，運行成本成為影響方案經濟性的主要因素。如圖3所示，在收費率低于80%時，壓縮式地熱梯級利用技術僅依靠地熱流體與供熱循環水進行直接換熱即可滿足算例范圍內的熱負荷需求。在收費率超過80%時，需要開啟壓縮式熱泵對無法直接換熱的地

熱流體進行梯級利用，因此用電量顯著增大。而吸收式換熱機組按照負荷增長逐臺啟動，用電量成梯級變化。在收費率超過80%時，吸收式梯級利用機組滿負荷運行，用電成本基本不變，而壓縮式熱泵系統的電能消耗則隨收費率顯著增加。

因此，當入住率分別按照65%、80%、100%三種情況的按照成熟社區考慮時，兩種技術路線的內部收益率結果如表4所示。與新建社區不同，成熟社區的入住率不會隨時間變化逐漸提高的。因此，兩種方案的內部收益率均高于新建社區的情況。在收費率達到100%時，壓縮式和吸收式兩種地熱梯級利用系統的內部收益率分別為27.87%和29.71%。在較高收費率時，吸收式地熱梯級利用系統的經濟性更好。

吸收式熱泵機組的初投資較大，因保證供熱負荷與裝機負荷相匹配，減少資產閑置的情況。吸收式熱泵梯級利用技術在地熱領域應用較少，系統造價偏高，隨著該技術的推廣，相關設備費用還有較大的下降空間。

表4 成熟社區時不同技術路線下益率變化情況

3 結論

本文結合華北某地的地熱探井具有水溫高、水量大的特點，并以實際工程為背景建立了應用算例。基于此對比了壓縮式熱泵梯級利用系統和吸收式熱泵梯級利用系統的經濟適用性。結果表明，在收費率低于80%時，壓縮式熱泵梯級利用系統因初投資較小，具有更好的經濟性；而在收費率高于80%時，吸收式地熱梯級利用技術具有運行成本低的優勢，經濟性更好。