基于地熱供暖項目經濟評價的熱泵調峰占比優化方法

王社教 康潤林 馮學坤 王凱鴻 方朝合 曹 倩 崔梓賢

1. 中國石油勘探開發研究院 2. 恒泰艾普（北京）云技術有限公司 3. 中國石油遼河油田公司供水公司

4. 國家石油天然氣管網集團有限公司 5. 中國石化新星石油新能源研究院

0 引言

我國地熱資源豐富[1]，根據地熱資源的性質和賦存狀態可以分為水熱型、地壓型、干熱巖型和巖漿型4種類型[2]，其中前者因分布廣、易開發等特性成為目前開發利用的主要類型，地熱供暖是開發該類地熱資源最有效的方式之一。較之于傳統的燃煤鍋爐、燃氣鍋爐供熱系統，水熱型地熱資源的供暖系統增加了地熱水的循環，增加了采灌井、熱泵調峰等關鍵環節，對該類供暖系統進行采暖方案設計時，確定最優采灌井數、最優熱泵調峰比例至關重要。

目前地熱供暖項目的經濟評價[3-5]主要是依據設計方案、常規現金流模型，考慮地熱供暖項目建設投資、年度生產成本以及當前供暖價格、稅收等參數，計算預期效益的內部收益率和凈現值，實現對地熱供暖項目的預期經濟效益評價。現有的評價方法忽略了熱泵調峰占比對建設投資、生產成本、經濟指標的影響，未建立熱泵調峰占比與這些參數的關系，從而無法確定經濟性的熱泵調峰占比值，也無法對地熱項目建設投資的合理性以及生產成本預測的可靠性進行評價，導致其評價結果不能有效指導地熱供暖項目方案設計的優化。為此，筆者以中深層水熱型地熱供暖項目為例，基于最經濟、有效的評價思路，系統分析了項目的供暖系統，研究了不同熱泵調峰占比對采灌井數、項目投資、運行成本以及經濟效益的影響，由此建立了基于經濟評價的地熱供暖熱泵調峰占比優化方法，以期為地熱供暖項目的方案設計和投資決策提供依據。

1 地熱供暖簡況

我國能源消費結構中煤炭占比過高，以煤為主的能源消費帶來了嚴重的環境污染問題[6]，特別是在采暖季，大量燃煤排放的二氧化碳嚴重污染了環境。為了改善大氣質量、治理霧霾，近年來我國大力推廣“煤改電”“煤改氣”以及“地熱供暖”等清潔采暖工程，清潔采暖面積迅速增加，環境治理取得了明顯的成就。以北京市為例，近5年來該市空氣質量逐漸變好（圖1），2020年北京市空氣優良天數達276 d，比2015年多90 d。2020年北京市PM 2.5年均濃度為 38 μg/m3，比 2015 年減少 43 μg/m3。重度污染天數2020年首次降到0，而2015年重度污染天數為46 d。截至2019年底，我國北方地區供暖總面積為211×108m2[7]，清潔供暖面積116×108m2，清潔供暖率達55%，其中天然氣采暖面積為28×108m2（年用氣量248×108m3），地熱供暖面積達11.23×108m2。

天然氣作為高效、清潔、低碳的化石能源[8-10]，在清潔能源發展中扮演了重要角色。過去幾年，國家實施的“煤改氣”采暖計劃，加快推動了清潔采暖的發展。但由于我國天然氣產量不足[11-12]，40%需依賴進口，大量的燃氣采暖，造成了區域性“氣荒”[13]，嚴重威脅我國能源供應安全，引起社會各界的廣泛關注。每到冬季，國家石油天然氣管網集團有限公司（以下簡稱國家管網）的天然氣保供壓力劇增。同時，天然氣也是化石能源，天然氣燃燒也會排放二氧化碳等污染物。因此，零碳排放的地熱供暖成為采暖行業關注的重點。

地熱作為一種清潔環保、用途廣泛、穩定性好、可循環利用的可再生能源[14]，展現出良好的發展潛力。地熱供暖已經成為我國目前供熱面積最大、效果最好的可再生能源供暖形式之一。如中石化打造的“雄縣模式”[15-16]，得到了國家能源局的認可。

較之于天然氣采暖，地熱供暖具有更好的經濟和環保優勢[17]。大力發展地熱清潔采暖，對于緩解天然氣供應壓力、保障國家能源供應安全和促進地方經濟發展都具有重要作用。此外，我國地熱資源十分豐富，水熱型地熱資源年可采量超過19×108t標準煤[18]，可以有力支撐大規模的地熱開發利用。

2 地熱供暖項目經濟評價

2.1 中深層水熱型地熱供暖項目

利用不同類型的地熱資源進行供暖方式有多種，既有淺層地源熱泵供暖，也有中深層水熱型供暖，還有深井直接換熱供暖。本文討論的是中深層水熱型地熱供暖，即把地熱水從地下采出至地面，提取水中熱能為用戶供暖，換熱后的尾水再回灌到地下[19-20]，確保整個采暖系統只取熱不取水。該類地熱供暖系統包含地熱采灌系統和供暖熱水循環系統。

地熱資源開發利用是系統工程，涉及地面工程、地熱地質、開發、利用、管理等多個環節。地熱供暖工程則是根據供暖面積、供給熱能以及地熱田勘探開發等基礎條件，依據采灌井數、調峰熱能進行相關配套設施設計的系統工程。

地熱供暖項目涉及用戶采暖和供熱兩個系統，項目運營受供熱需求約束，不同地區供暖期和室外溫度存在較大差異，供暖目標的熱耗指標、供暖溫度也不相同，因此應按照保障適宜居住條件、節約地熱資源的供暖原則，依據室外溫度和供暖需求進行采熱方案設計。

2.2 項目方案設計與經濟評價

在進行地熱供暖項目方案設計和經濟評價時，應重點關注采暖負荷大小、單井采熱量、采水井數、回灌井數、熱泵功率等關鍵參數。

2.2.1 采暖熱負荷

熱負荷是決定項目規模的關鍵參數，筆者以供暖期室外月平均溫度和最低室外溫度為依據，測算熱負荷及供暖期每個月的供給熱能。依據熱平衡原理，采暖熱負荷等于供給熱能，受室外溫度變化的影響，供暖期每天晝夜的耗熱量不同，供給熱能也不同。因此，在實際供暖期，應按照每天晝夜室外溫度的變化進行供給熱能控制，這樣可以實現地熱利用最節能、地熱運行最經濟有效。

2.2.2 熱泵調峰

由于地熱資源品位的不同，在進行地熱供暖時，常常使用熱泵調峰對熱源進行補充[21-22]。即使地熱資源較好，能滿足正常的采暖需求，也常常把熱泵調峰作為供暖項目的重要內容，這是由于調峰不僅可以保證在極端天氣下滿足用戶的采暖需求，更重要的是可以降低項目的投資，提高項目的經濟性。

鉆井是地熱項目投資最大的組成部分[23-24]，約占總投資的2/3，尤其是水熱型地熱資源的開發利用，在尾水必須進行回灌的情況下，需要鉆探更多的采灌井，成本更大。為充分利用采出的地熱水熱能，在直接換熱后的尾水回灌到地下之前，可以采用熱泵技術再提取一部分熱能。考慮到熱泵需要更多的電力成本，合理的調峰比例設計是決定地熱項目經濟性的關鍵。

調峰占比即熱泵調劑熱能占總采暖供給熱能的百分比，與熱泵調峰后回灌水溫度的關系見式（1）。在地下水出口溫度和直接熱交換后地熱水溫度確定的條件下，熱泵調節后回灌水溫度（TTH）越低，調峰占比越大。在采熱方案設計中，可以通過TTH來測算采灌井的數量和調峰熱能。

式中RTB表示熱泵調峰占比；TH表示直接換熱后地熱水溫度，℃；TTH表示熱泵調節后回灌水溫度，℃；TD表示地下水出口溫度，℃。

調峰熱泵負荷依據最大調峰熱能進行設計，即在供暖期取熱水井（采水井）達到最大開井數時計算的負荷，計算公式為：

式中QRmax表示熱泵負荷設計值，kW；HCkmax表示采水井最大開井數設計值，口；QC表示采水井日產水量，m3；CW表示水的比熱容，J/(kg·℃)。

實際上，調峰熱泵的運行應依據室外溫度變化引起的熱負荷變化隨時進行調整，即在供暖期間調峰熱泵不需要進行滿負荷運轉，這樣可以大大減少項目的運行成本。

3 熱泵調峰占比優化方法

在供暖面積確定的條件下，從節能與保障適宜室內溫度的角度，應合理利用已開發出的地熱資源，實現對地熱資源的有效利用。由于供給熱量受室外溫度的約束，因此采熱水量和熱泵調節受控于室外溫度的變化。在供暖初期和末期，由于室外溫度較高，通常不需要進行熱泵調峰，直接熱交換的熱能就能夠滿足采暖的需求。只有當室外溫度降低到一定程度時，才需要采用熱泵調峰方式保障供暖。

由于采灌井數是地熱供暖項目投資最大的主體工程，采出熱量、調節熱量占比的優化，對主體工程的投資規模和經濟效益將產生直接影響。工程建設最優方案實際就是確定最優調峰占比條件下的地熱供暖項目投資建設方案。在不同調峰占比的投資方案中，確定最優熱泵調峰占比實際上是要確定地熱供暖項目最大收益率（FIRRmax）和最小LCOE（平準化度電成本，Levelized Cost of Energy）指標。

在不同的地熱供暖項目設計方案中，當地熱供暖項目收益率為最大（FIRRmax）或平準化度電成本為最小（LCOEmin）時的設計方案，可將其熱泵調峰占比確定為最優值，即RTB最優。

3.1 調峰熱量占比優化

調峰熱量占比是熱泵提供熱量占總供熱量（供暖地區月平均最低室外溫度時的最大供熱量）的比例。調峰熱量與熱泵能效系數（COP）、熱泵總功率呈正相關。在COP一定的條件下，熱泵總功率越大，調峰熱量占比越大。從回灌溫度角度，熱泵調節后回灌水溫度越低，提取熱量越大，調節能力越強。熱泵調峰占比優化，首先要明確采灌井數、采出熱能、直接換熱量、熱泵調峰熱能的關系。室外溫度最低時的采水井開井數、回灌井開井數計算見式（3）、（4）。

式中HCmax表示室外溫度最低時的采水井開井數，口；S表示供暖面積，m2；Tmin表示月最低溫度，℃；表示環保要求年平均溫度條件下的單位面積耗熱量，W/m2；WTF表示熱泵調峰熱能，kW，其值取決于直接換熱后的溫度和回灌水的溫度；表示環保要求耗熱量的年平均溫度，℃；HGmax表示室外溫度最低時的回灌井開井數，口；HC表示采水井數，口；α表示地熱水回灌率；QG表示回灌井日注水量，m3。

基于上述關系式，可以明確熱泵調峰熱能與采水井和回灌井呈負相關，即熱泵占比越大，采灌井數越少。要確定最佳調峰熱泵占比，僅靠該關系式難以確定，需進行不同熱泵占比情景下的項目經濟評價，尋求在確保收益率條件下的最佳方案。

3.2 調峰占比與投資

地熱供暖項目投資（ID）由采灌工程建設投資（IC）、供暖工程建設投資（IG）、基建工建設程投資（IJ）、其他費用（IQ）、項目建設預備費用（IY）構成，其中供暖工程建設投資屬固定投資。采灌工程建設投資、基建工程建設投資以及項目建設預備費用，隨采灌井數與熱泵調節能力（熱泵總功率）結構的調整發生變化。因此，確定合理的熱泵調峰占比是優化采灌井數以及降低工程建設投資的關鍵。

依據采灌井數與調峰熱能的關系，調峰熱能占比越大，調峰熱能（WTF）越大，在供暖需求確定的條件下，提升熱泵調峰占比，須增加調峰熱泵功率，隨之增加熱泵費用，減少新鉆采灌井投資、電潛泵購置費用、板式換熱器的購置費用。

采灌工程建設投資（IC）是地熱供暖項目投資的主體，主要包括老井轉采/轉注費用（即廢棄井改造為采灌井的費用）、新鉆采灌井費用、電潛泵購置費用和熱泵費用，計算見式（5）。

式中Hlcg表示老井轉采灌井數量，口；Hxcg表示新鉆采灌井數量，口；HCG表示采灌井數量，口；QRmax表示設計熱泵調節熱能，kW；Pzcg表示老井轉采灌井投資定額，萬元/口；Pxz表示新鉆采灌井投資定額，萬元/口；Pdqb表示電潛泵單價，萬元/臺；PRB表示熱泵單價，萬元/kW。

供暖工程建設投資（IG）由供暖循環泵、供暖補水泵、中間循環泵、板式換熱器、定壓控制設備、過濾系統等設備的購置費用構成。其中板式換熱器受調峰熱能約束，調峰熱能增大，需要的板式換熱器面積減少[式（6）]，相應減少了供暖工程建設投資（IG）。

式中SBHR表示板式換熱器面積，m2；qhTmax表示最大換熱量，W/m2；TGH表示供暖端回水溫度，℃；TG表示供暖熱水溫度，℃；κ表示傳熱系數，W/(m2·℃)；Rc表示熱傳導率。

板式換熱器購置費用計算見式（7）：

式中IBHR表示板式換熱器購置費用，萬元；SBHR表示板式換熱器面積，m2；PBHR表示板式換熱器單價，萬元/m2。

在熱泵能效系數（COP）確定的條件下，隨著調峰熱能的增減，地熱供暖工程采灌井數隨之改變，變化結果如圖2所示。在采水井產能確定的條件下，熱泵調節比例越高，采灌井數越少。圖3為熱泵調峰占比與建設投資和成本的關系，隨著熱泵調峰占比的增加，地熱供暖項目建設投資呈下降趨勢，操作成本則呈上升趨勢。這是因為建設投資的很大部分來自鉆井費用，熱泵比例增加，采灌井數減少，投資規模則下降。另外，由于熱泵的運行要耗電，熱泵比例增大，則電費增加很大，操作成本顯著上升。

3.3 調峰占比與運營成本、水費

運行成本、水費也是影響調峰占比的關鍵因素。地熱供暖項目的運行成本主要包括人員費、維護費、管理費、水費、動力費等，其中水費和動力費用屬于變動成本，隨采灌井數與熱泵調節能力（熱泵總功率）結構的調整發生變化。

水費（Cs）包括排污費、熱水處理費、地下水資源稅。調峰熱能占比增加，采出熱水量減少，相應水費減少。

動力費包括調峰熱泵、采水井電潛泵、供暖循環泵、供暖補水泵、中間循環泵、回灌水泵站等設備運行需要的電費支出。調峰熱泵動力費、采水井動力費、中間循環泵為主要變動成本費用，與調峰熱能緊密相關。調峰熱能占比增加，采水井動力費、中間循環泵費用減少，但調峰熱泵動力費增加。

3.4 項目經濟評價及調峰占比確定

項目經濟評價方法：①采用折現現金流模型計算不同調峰占比下項目方案設計的內部收益率和凈現值；②引用LCOE評價指標評價項目方案設計的經濟性，即把單位面積的供暖成本折成電價進行項目全周期的經濟評價，該結果便于與風能、太陽能等其他可再生能源項目的經濟性進行對比。

3.4.1 經濟效益指標測算

經濟效益指標測算是在確定調峰占比條件下，通過測算地熱供暖項目投資、生產運營成本，基于現金流模型測算財務內部收益率及凈現值。

財務內部收益率（FIRR）是指能使項目計算期內凈現金流量現值等于0時的折現率：

式中CI表示現金流入量，萬元；CO表示現金流出量，萬元；(CI－CO)t表示第t期的凈現金流量，萬元；n表示項目計算期，a。

當FIRR≥i0（基準收益率）時，項目方案在財務上可考慮接受。

財務凈現值（FNPV）是指按設定的折現率（一般采用i0值）計算的項目計算期內凈現金流量之和，即

式中i0表示設定的折現率（同基準收益率）。

在設定的折現率下計算的FNPV≥0（FNPV折現）時，項目方案在財務上可考慮接受。

3.4.2LCOE指標測算

LCOE指標的計算方法見式（10）：

式中LCOE表示國際通用的項目經濟性評價指標，元/(kW·h)；RGt表示供暖項目年度供給熱能，kW·h。

3.4.3 基于經濟評價的調峰占比確定

依據項目方案設計的不同調節熱量占比，測算地熱供暖項目工程建設投資、運營成本，計算內部收益率、凈現值、投資回收期和LCOE指標，可以建立熱泵調峰占比與經濟效益的評價模板。

圖4是依據貼現現金流模型建立的不同熱泵調峰情景下的項目經濟評價模板，隨著熱泵調峰占比的增加，內部收益率出現先增后降的趨勢，內部收益率存在最大值FIRRmax。當調峰占比（RTB）能夠獲取最大收益率時，調峰占比為最優設計，此時地熱供暖項目投資科學、投入成本經濟。

LCOE指標越小，項目方案設計供給的熱能成本越低，越具有經濟性。隨著RTB的線性增長，圖4反映了LCOE指標先下降后增長的趨勢，LCOE指標存在最小值LCOEmin，即存在內部收益率的最大值和LCOE最小值。當調峰占比（RTB）能夠獲取最小的LCOE指標時，調峰占比為最優設計，此時地熱供暖項目投資科學、投入成本經濟。

4 項目經濟評價和風險分析軟件開發

地熱資源主要有地熱發電和直接利用兩種利用形式。我國地熱開發利用主要以中低溫地熱資源為主，直接利用尤其是地熱供暖是其主要方式。2019年底，我國地熱供暖面積11.23×108m2（表1），其中淺層地熱資源供暖面積8.41×108m2，中深層地熱資源供暖面積2.82×108m2。地熱發電受資源、技術及經濟的限制，長期停滯不前，發展規模小，裝機容量僅為27.8 MW。干熱巖開發仍處于探索階段，目前正在青海共和盆地和河北唐山馬頭營地區開展以壓裂方式提高發電效率（EGS）的干熱巖開發現場試驗。

表1 近5年我國地熱供暖和地熱發電情況簡表

隨著我國“雙碳”目標的提出，地熱在清潔供暖方面將會產生重大作用。2021年4月14日，國家能源局綜合司發布《關于促進地熱能開發利用的若干意見（征求意見稿）》，提出“大力推進中深層地熱能供暖”，到2025年，地熱能供暖（制冷）面積將比2020年增加50%，在資源條件好的地區建設一批地熱能發電示范項目；到2035年，地熱能供暖（制冷）面積將比2025年翻一番。

地熱供暖項目的方案設計對項目的經濟性影響很大，在以往的實際工作中，筆者通常采用手工計算，分析和測算不同調峰比例的地熱供暖工程建設投資、生產運行成本和經濟性，并從眾多的方案中優選出最優方案，其間的工作量很大。

基于上述研究成果，筆者編制了地熱項目經濟評價和風險分析軟件（GEOS 1.0），該系統不但能夠評價地熱項目的經濟性，而且可以進行風險評價，對眾多的地熱項目采取單因素和多因素優選排隊，從而優選地熱項目。更重要的是可以通過不同調峰占比的計算，快速確定項目的最佳方案，解決了以往方案設計時間長、效率低的問題。

一旦熱泵調峰最優比確定，最優地熱項目建設方案就可以確定下來。這時的采水井數、回灌井數、熱泵功率等是確保歷史最低溫度下能滿足室內采暖需求的最大數。在實際的采暖季，大多時期的室外溫度高于歷史最低溫度，供暖時并不需要啟動所有的采水井和熱泵系統，可以依據室外溫度的變化對開采井和熱泵調峰進行控制，從而降低運營成本。該軟件系統可以實現對每個月的開井數和熱泵功率的調整。河北某地區采暖項目的應用案例如圖 5、6、7所示，該地區供暖期為5個月，從月平均溫度、供暖需求、熱泵調峰與采熱井關系看，只有在最冷的12月和1月，才需要啟動熱泵和全部啟用采水井。11月、2月和3月由于室外溫度相對較高，用熱需求少，不需要進行熱泵調峰，采熱井也分別啟用了37口、42口和34口。

5 結論

1）我國大力實施清潔采暖計劃，加大地熱能的開發利用，地熱供暖快速增長，累計地熱供暖面積超過11.23×108m2。我國地熱資源豐富，清潔供暖需求旺盛，發展地熱產業將助推環境治理和綠色低碳發展，并在碳達峰和碳中和中發揮重要作用。

2）基于地熱供暖項目的全過程分析和項目的經濟評價，在預期收益率約束下的熱泵調峰占比優化方法如下：①建立調峰熱能與采灌井數、板式換熱器面積的關系模型；②建立調峰熱能與變動成本的關系模型；③建立工程建設投資與生產運營成本測算模型；④基于現金流模型實現不同調峰占比條件下的內部收益率和LCOE指標的快速測算，從而確定基于項目經濟評價的最優熱泵調峰占比。

3）基于最優熱泵調峰占比研究研發形成的地熱供暖經濟評價和風險分析軟件，不但可以評價項目的經濟性，快速確定最優熱泵占比和地熱供暖方案，同時可以明確地熱供暖項目運營過程中成本控制的關鍵要素，調整實際開井數和熱泵功率，降低運行成本。也可以進行地熱資源、工程、商業風險評價，對眾多地熱項目采取單因素和多因素優選排隊，從而優選地熱項目，解決了以往地熱供暖項目設計方案時優化工作量巨大的難題。