無干擾地熱供暖的系統性評價研究*

張哲菲，劉洪濤，李娜，李國平

(1. 西安交通大學經濟與金融學院，陜西西安 710049；2. 西咸新區灃西新城能源發展有限公司，陜西西安 712000；3. 西安電子科技大學經濟與管理學院，陜西西安 710126)

煤炭、石油等化石能源的使用，推動著人類社會從農耕文明發展到工業文明，給人類的生活帶來極大的改變，但是近年來化石能源的過度使用也帶來了環境污染、生態破壞等一系列問題。同時也對人們的生存發展造成了威脅。如何減少化石能源的消耗已經成為了人們關注的焦點。面對我國日益嚴峻的環境與資源問題，開發利用可再生能源對于我國的經濟發展具有重要意義。在已發現的眾多清潔能源中，地熱能具有資源分布廣、清潔環保、穩定可靠等優勢，且我國地熱能儲量巨大。對地熱能的合理開發和利用，不僅可以緩解能源危機而且對于我國的節能減排以及可持續發展具有重要意義。

1 研究背景

我國煤炭等化石能源相對豐富，長期以來以煤炭作為主要的供暖能源，對清潔能源的開發利用起步較晚。隨著當前人口、資源、環境之間的矛盾日益突出，調整能源布局、治理環境污染已經成為了重中之重。現有研究一方面從環境效益方面出發，對清潔能源的利用進行了研究。姚華等[1]從環境影響的角度考慮，認為若想達到同等的采暖要求，單位環境因子比較低的供暖方式將成為最好的選擇。張道明[2]通過搭建的一套實驗室稀釋測試系統，測試了9 種典型的燃料，發現清潔燃料具有良好的顆粒物減排效果，但是當排放因子換算成全面污染物排放總量時，盲目地提高爐具火力強度不利于減排。龐軍等[3]通過等熱值替代的方法計算了天然氣替代煤炭后在不同領域的減排效果，然后通過無量綱的方法對污染物減排綜合指數進行了計算，從污染物減排角度對天然氣的各個領域優先次序進行了重新排列，發現利用天然氣替代煤炭集中供暖有明顯的減排效果。

另一方面，一些學者從生命周期的角度，對不同采暖方式進行了評估。生命周期評價(LCA)適用于評估產品在其生命周期中對環境影響的技術和方法，廣泛應用于能源對環境影響的相關研究。袁寶榮等[4]認為化石能源生產的生命周期清單具有重要意義，一方面是開展化工產業及生命周期分析的基礎，另一方面也能闡明化石能源生產的基本環境行為。武娟妮等[5]基于生命周期的角度，在相同供熱量的基準下，對散煤采暖的主要供暖替代方式下大氣污染物排放和能效進行了比較，發現相比于散煤取暖，清潔采暖方式能有效的降低大氣污染物的排放量，尤其是PM2.5和PM10。付子航[6]認為煤制天然氣的過程是否低碳高效，不能僅以某一環節的能效作為評價標準，只有采用LCA 的方法測算,才能系統客觀的認識這些產業的優劣。

從目前研究來看，國內外的學者對于地熱能供暖的評價大多是基于單一的經濟效益或者環境效益進行分析，如何綜合地評價其環境、經濟與社會效益，還有待深入研究。針對以上問題，筆者以燃煤、天然氣、地熱能幾個供暖方案作為研究對象，借助AHP 模型評價了各種供暖方式的綜合效益，使得評價更加的準確、完善, 為我國供暖行業的低碳轉型提供參考。

2 不同供暖方式的LCA分析

生命周期評估(Life Cycle Assessment，LCA)，是一種系統化地定量描述產品生命周期中的各種資源、能源消耗和環境排放并評價其環境影響的國際標準方法。對無干擾地熱能供暖方式節能環保的評價，不能僅采取一個環節進行評價，可以通過LCA 的方法進行測算，并于其他供暖方式進行比較，才能準確得出該供暖方式的優劣。

2.1 研究目標與范圍

研究對象為無干擾地熱供暖、燃煤供暖、天然氣供暖等3 種供暖方式。我國的煤炭儲量大，采用煤炭供暖成本比較低，并且煤炭供暖技術較簡單，所以我國冬季供暖的主要能源是煤炭，但煤炭燃燒過程中會產生大量的有害氣體，不利于環境保護。與煤炭供暖能源相比，天然氣供暖利用效率更高，而污染物排放比較低，并且天然氣燃燒比較充分，CO 的產生量較少，提高了居民取暖的安全性。但由于我國能源生產結構的制約，我國的天然氣使用很大程度上依賴于進口，運輸費用很高，導致了天然氣的使用成本高于煤炭。近年來，國內外對其他清潔能源開發利用的研究較多，其中地熱能因環境和經濟效益明顯，得到了廣泛的關注。筆者對3 種供暖方式生命周期進行分析，對不同供暖方式的環境效益進行分析比較。

2.2 系統邊界

燃煤供暖和天然氣供暖(以燃氣集中供暖為例)過程主要包括能源的開采、運輸、燃燒、熱力配送等4 個環節，地熱能采暖主要包括項目建設和運行2 個階段。對不同采暖方式的生命周期大氣污染物排放量進行比較，系統的輸入考慮能源的輸入，主要包括煤炭、天然氣、地熱能等，而系統的輸出主要考慮大氣污染物的排放。系統的輸入主要在建設期，由于涉及因素較多，因此建設期的輸入和排放暫且不做分析。

2.3 清單分析

生命周期清單分析是進行生命周期評價的基礎，通過清單的建立可以量化影響因素，針對各個過程建立功能單位在每個階段的資源、能源消耗以及向環境的排放，形成產品系統對環境的影響清單。筆者研究所需要的污染物排放系數數據較多，而目前國內公開發布的官方資料中并沒有研究需要的所有污染物排放系數的數據，因此一些研究數據只能從已發表的相關文獻中獲取，數據來源較分散，不可避免會產生一些誤差。筆者基于等熱值法對散煤、天然氣、無干擾地熱能3 種供暖方式在全生命周期的污染物排放進行比較，以1 t 散煤供暖量為標準分別計算出其余能源的使用量并進行污染物排放的計算，根據參考文獻[3]，等值法的基本假設如表1 所示。

表1 等值法基本假設數據

2.3.1 燃煤供暖

燃煤供暖過程由礦井的開采、運輸、鍋爐燃燒及熱力輸送等4 個部分組成，開采期主要包括礦井的建設以及開采處理，由于礦井的建設涉及到較多材料，并且建設期較短，因此對建設期產生的污染暫且忽略不計。運輸階段的環境影響跟單位里程的能耗水平、污染物的排放系數、運輸距離以及貨物質量相關，我國煤炭主要是通過鐵路運輸，大多為柴油動力的機車，油耗約為0.002 64 kg/(t·km)，運輸距離取我國煤炭運輸平均距離700 km。計算污染物采用公式(1)和公式(2)：

式中：Ei——運輸過程中污染物的排放量，kg；

Ki——1 t貨物運輸1 km時產生污染物i的質量，kg；

m—— 貨物的質量，t；

L——運輸的距離。km。

式中：ESO2——SO2排放量，kg；

Y——燃油消耗量，kg；

S——燃油含硫量，g/kg。

根據《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南》，鐵路內燃機車PM2.5，PM10，NOx的排放系數分別為1.97，2.07，55.73 g/kg。同時根據《民用煤大氣污染物排放清單編制(技術指南)》，煙煤原煤燃燒SO2，NOx，PM2.5，PM10的排放系數分別為2.7，1.1，1.4，2.2 kg/t。

2.3.2 天然氣供暖

天然氣供暖是以天然氣為燃料，利用技術改造后的燃氣鍋爐進行集中采暖，與散煤燃燒供暖相比，天然氣供暖的傳熱效率更高，同時大氣污染物的排放量也更少。我國的天然氣主要產于西部地區并通過管道運輸，運輸動力為電能。根據參考文獻[6]，假設運輸的平均距離為2 000 km，能耗取0.556 8 kJ/(m3·km)，等值法中324 m3的天然氣產生的熱能與1 t 散煤燃燒提供的熱能一致。

天然氣燃燒階段SO2，CO 的排放數據來源于《燃料燃燒排放大氣污染物物料衡算辦法》。PM10，PM2.5數據來源于《大氣可吸入顆粒物一次能源排放清單編制技術指南(試行)》、《大氣細顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行)》。SO2排放量的計算見式(3)，其余污染物排放量計算式見式(4)。

SO2排放量：

式中：E'SO2——SO2排放量，kg；

V——天然氣體積，m3；

φ(H2S)——天然氣中H2S的體積分數，取值0.05%；

αi——污染物排放系數。

PM10的排放系數取值為0.03 g/m3，PM2.5的排放系數取值為0.03 g/m3，NOx采用國家標準取值為200 mg/m3。

2.3.3 無干擾地熱供暖

無干擾地熱供暖主要是通過向一定深度的地下高溫巖石上鉆井，然后在井內安裝某種特種金屬套管，通過套管系統內的熱流體介質將地熱傳回地面，再通過換熱系統將地熱能轉化為建筑物所需要的熱量，最后再將換熱介質注回，達到整個系統的密閉循環。

無干擾地熱供暖的實現包括了供暖系統的建設階段和運行階段，這里暫且不計建設期內的投入與產出，運行階段無干擾地熱能供暖方式是僅靠電力驅動獲得地下的地熱能，因此在整個使用過程中只消耗了電能，以標準煤表示的能耗按照309 kg/kWh計算，循環性能系數(Coefficient of Performance，COP)取值5。

2.3.4 不同供能方式污染物排放量對比分析

通過計算得到3種供能方式的排放清單，見表2。

表2 各類能源的污染物排放 單位：g

由表2 可見：使用天然氣和地熱能比燃煤供暖具有明顯的減排效果，環境效益明顯。

3 層次分析法的應用

3.1 層次分析方法概述

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是美國運籌學家薩蒂于20 世紀70 年代初在為美國國防部研究電力分配問題時應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法提出的一種層次權重決策分析方法。層次分析法的特點是在對復雜問題的本質、影響因素、及其內在關系進行深入分析的基礎上將與決策有關的元素分解為目標、準則、方案等層次，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，為多目標的復雜問題提供簡便的決策方法。

3.2 供暖方式效果評價體系的建立

3.2.1 層次結構模型的建立

目前采用的供暖方式各有其優點和不足，通過對燃煤采暖、天然氣采暖、地熱能采暖等供暖方式的全生命周期進行分析，得到了地熱能供暖尤其是無干擾地熱供暖方式有較好的環境效益，但評價供暖方式的優劣不僅要考慮環保性更涉及到經濟性、安全性、供暖效果等多項指標，由于其中的一些指標無法進行精確的定量計算，只能進行簡略的對比，因此采用層次分析法進行分析。上述4 種供暖方式及考察指標的層次結構模型見圖1。

圖1 供暖方案選擇的層次結構

為了方便后面的計算，各個層次的因素采用對應的字母標記。第一層為目標層，用Z 表示；第二層為準則層，用A1、A2、A3、A4 分別對應經濟性、環保性、安全性、供暖效果；第三層為方案層，用B1、B2、B3、B4 分別表示燃煤供暖、天然氣供暖、地源熱泵供暖和無干擾地熱供暖。

3.2.2 判斷矩陣的構建

判斷矩陣是對于每一層次各因素的相對重要性給出的判斷，一般采用1～9 標度法構建判斷矩，通過打分的方式進行重要性衡量，打分值及含義見表3。根據上文分析、相關文獻及實際情況，判斷矩陣如表4 所示。

表3 1～9比例標度法

表4 Z-A判斷矩陣

3.2.3 一致性檢驗及權重計算

一般認為判斷矩陣的一致性檢驗結果由一致性比率CR來衡量，如果CR小于0.1，則認為通過一致性檢驗。

式中：CI為判斷矩陣偏離一致性的指標，RI為平均隨機一致性指標，與判斷矩陣的階數n 對應，λmax為判斷矩陣的最大特征值。RI與n 對應關系見表5。

表5 RI與n對應關系

通過計算可得，矩陣A 的最大特征值為λmax=4.242 7，CI=0.080 9，CR=0.089 9＜0.1，由此可見通過了一致性檢驗，且該最大特征值對應的特征向量為ω={0.191 7，0.271 6，0.453 1，0.083 5}。然后對構造的比較矩陣B1 到B4 進行層次總排序的權重向量計算，并進行一致性檢驗，結果見表6。

表6 比較矩陣的權重向量及一致性檢驗

通過計算可得，一致性檢驗CR=0.017 9＜0.1，表示層次總排序通過了一致性檢驗。對B1，B2，B3，B4 對總目標權重值進行計算，結果見表7。

表7 比較矩陣對總目標權重值

由表7 可見：B1，B2，B3，B4 對總目標的權重值分別為0.254 2，0.231 5，0.257 7，0.271 0，表明B4 權重優先，即B4 代表的無干擾地熱為最佳供暖方案。

4 地熱能利用的優劣勢分析

4.1 優勢分析

1)我國地熱資源儲量豐富，潛力巨大。根據目前的調查數據推測，整個地球的地熱能理論儲備量是全部天然氣、石油、煤炭的上億倍。同時地熱能屬于清潔的可再生能源，淺層的地熱能只需要利用很少的電能驅動就可以提供大量的能量用于制冷、供暖等，不會引起化石能源大量使用導致的環境污染、溫室效應、酸雨等問題。

2)高效可靠。數據統計分析表明，地熱能的利用系數是目前已知所有可再生能源中最高的。同時地熱能穩定性強，太陽能、風能等清潔能源雖然同樣可以達到節能環保的作用，但受氣候條件的限制較大，而地熱能則可以保持持續且穩定。

3)系統穩定。利用的是土壤中儲存的穩定的地熱能，主要來自于土壤對太陽能的吸收，熱容量巨大。同時我國目前引用的土壤源熱泵主要采用豎直埋管的方式，埋設位置比較深，因此土壤溫度受地表氣候影響非常小，保證了系統運行的穩定性。

4)環保效益明顯。無干擾地熱技術利用的是封閉的換熱器內循環流動的介質帶出地下的熱能，取熱但不取水，可以達到保護地下水的作用。同時抽取完地熱能的介質又通過套管注回，避免了尾水熱污染或地下采空的問題。

4.2 劣勢分析

1)初期的投資成本比傳統能源高。目前我國采用的傳統供暖方式主要包括燃煤供暖、天然氣供暖以及電采暖。地熱能供暖與這些傳統的供暖方式相比不論是前期的探測還是設備的投資都會導致地熱資源的初始投資較高。

2)目前地熱資源勘探較為落后。由于我國地熱資源開發利用技術引入的時間比較短，加上市場投入不足，專業人才的培養也比較缺失，導致了目前我國在地熱勘探方面還屬于“就熱找熱”階段，真正經過勘探評價的熱田很少，地熱能的動態檢測和研究也只在極少數地方進行，導致大量的地熱能未被勘測利用。

3)長期運行會導致地熱的不平衡。熱泵地下埋管系統在與土壤進行連續吸熱放熱的過程中，可能會導致土壤溫度出現大幅度的波動，進而對地下局部土壤的熱平衡造成破壞。一方面會直接影響熱泵系統的性能，另一方面可能會導致土壤凍結的情況。

5 結論與建議

與其他供熱方式相比，地熱能供暖有較好的經濟效益和環境效益，對解決環境問題和緩解能源危機具有重要作用。近年來，我國地熱能的應用得到了快速的發展，但也出現了一些問題：①由于地熱能供暖項目的初始投資較高，項目的投資回收期較長，造成投資規模有限，難以形成規模效益；②地熱能資源的開發利用缺少統一的規劃、勘探技術落后；③相關標準不健全。因此，需要采取如下措施大力推進地熱能的利用。

1)加大政府支持。一方面要完善相關的法律法規，目前我國的地熱資源的開發利用及其管理都在《中華人民共和國可再生能源法》的框架下，亟需出臺專門的地熱開發法規對地熱資源的屬性進行法律界定，明確各級管理部門的職能，為地熱資源的管理提供法律依據。另一方面加大資金支持。從目前我國的發展情況來看，地熱供暖主要靠企業的投入，雖然政府也有節能項目的無償補助，但由于地熱能的前期開發利用成本巨大，政策補助遠遠不能滿足需求。因此需要政府引導及扶持，盡快出臺具體補貼措施政策。

2)引進開發利用新技術，加強勘測監察。我國在進行地熱能開發利用的時候應該學習目前先進的技術及理論，并結合實際情況進行改造和利用，加快地熱能的發展。其次要加強對地熱能的勘測監察工作，查明我國的資源分布及開發利用現狀是進行科學規劃的基礎，通過建立全國地熱能的監測信息系統利用現代信息技術對地熱能的開發利用進行系統的規劃和評價，避免資源的浪費。

3)由于我國對地熱能的開發利用時間還較短，熱泵技術應用時間不長，因此相關技術標準比較欠缺，而熱泵技術又影響到對地熱資源的利用效率，因此應加強相關的技術研究，促使熱泵技術的發展，從而提高能源的利用效率。