无干扰地热供热全寿命周期经济效益分析
ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
May.20213无干扰地热供热全寿命周期经济效益分析
张哲菲1刘洪涛2何鹏'李国平1
（1.西安交通大学经济与金融学院，2.西咸新区痒西新城能源发展有限公司，
3.西安电子科技大学经济与管理学院）
摘要对地热资源进行了宏观分析，提出了无干扰地热供热成本及经济效益分析模型。在
政府补贴的情况下，无干扰地热供热采暖季月单位面积收入和成本分别为7.05元/（月•
mJ、3.95元/（月・0?）。将无干扰地热供热与燃煤、天然气供热方式进行了初始投资及成
本对比分析，发现无干扰地热供热初始投资为142.70元/!『，相对较小，且运行期费用最低。
无干扰地热供热在利润空间以及生态环境保护上具有较大优势。
关键词地热能清洁能源无干扰地热经济效益政策建议
文献标识码：A文章编号：1001-1617（2021）03-0003-05
Life cycle economic benefit analysis of undisturbed geothermal heating
Zhang Zhefei1Liu Hongtao2He Peng3Li Guoping1
(1.Xi'an Jiaotong University,
2.Xixian New Area Fengxi New Town Energy Development Co.,Ltd.,
3.Xidian University)
Abstract Based on the macro analysis of geothermal resources,the paper puts forward the cost and e-
conomic benefit analysis model of non-interference geothermal heating.Under the condition of gov­
ernment subsidies,the monthly revenue and cost of non-interference geothermal heating season are
7.05yuan/(month•m2 )and3.95yuan/(month•m2),respectively.By comparing the initial in­
vestment and cost of non-interference geothermal heating with coal-fired and natural gas heating
modes,it is found that the initial investment of non-interference geothermal heating is142.7yuan/
m2,which is relatively small,and the operating cost is the lowest.The non一interference geothermal
heating has great advantages in profit space and ecological environment protection.
Keywords geothermal energy clean energy undisturbed geothermal energy economic benefits
policy recommendations
我国传统供暖方式热源有煤、天然气、太阳能和电能等，其中燃煤供暖面积约占总供暖面积的80%。煤、天然气作为不可再生能源以及宝贵的工业原料，用于供暖而消耗掉是成本较高且效率较低的利用方式，而且燃烧过程产生大量SO?、NO
*及烟尘等污染物。经济发展需要能源，寻求经济可行的清洁能源便成为当务之急。地热能作为一种储量丰富的清洁能源，很好地解决了能源消耗和生态环境之间的矛盾。早在2014年，国家能源局就下发通知，将地热供暖规划纳入城镇供热体系，并在市政基础设施建设等方面为地热开能发利用提供必要的资金保障。地热能不仅是可再生能源，且具有分布、用途广泛，可就近
*国家自然科学基金面上项目（72074175）
炉石传说恶魔猎手收稿日期：2020-12-07
张哲菲（1984-），博士生；710049陕西省西安市。通讯作者：何鹏，硕士生;E-mail:rocdhp@163
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直接利用或通过发电间接利用，高效、安全可靠，对环境污染小等特点。风力发电、光伏发电、核能发电等的减排效益是参照煤电排放标准计算。地热供暖替代了燃煤供热锅炉以及大量散煤燃烧取暖的煤炭消耗，同样一吨煤，地热供暖的污染物减排效益要远远大于其他可再生能源。新能源和可再生能源大家族中，地热能的能源利用系数最高(73%)，在一些国家地热电站的能源利用系数可高达90%以上，而太阳能的能源利用系数仅为14%，风能为21%。
1地热能概述及其宏观形势分析
1.1地热能概述
根据《地热资源地质勘查规范》(GB11615 -89)(中华人民共和国国家技术监督局，1990)，地热资源是指在我国当前技术经济条件下，地壳内可供开发利用的地热能、地热流体及其有用组分。地热能(Geothermal Energy)主要是指“赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中，能够为人类开发和利用的热
能”⑴。人类社会发展的历史就是一部能源开发利用的历史，一类是以原油煤炭为代表的传统能源，另一类是以风能、太阳能、地热能、生物质能为代表的新型清洁能源。地质学界将地面到地下30km之间划分为3个不同的地热层：最上面的一层叫变温层，这一层的温度随地面温度的四季变化而发生不同程度的变化；中间一层叫恒温层，处于变温层之下，恒温层一年四季的温度不受外界的影响，恒温层相当于一种分界面；最下面一层叫增温层，在增温层内，温度从上向下逐渐增高，一般每向下100m，温度升高3七，此称为地热梯度。地热资源的开发利用主要发生在增温层。
按照温度划分可将地热能分为三类：温度低于90七称为低温型，温度介于90-isor称为中温型，低温型和中温型地热能源主要用于地热直接利用，多用于采暖、工业、医疗、旅游等方面；温度高于150T称为高温型，此类地热能源主要用于地热发电。根据埋藏深度的划分，地热能可分为三类：第一类是浅层地热能，指地表以下200m深度范围内的地热资源，由于温度较低，可利用地源热泵实现供暖和制冷；第二类是常规中层地热能，蕴藏在地表以下200~3000m 的深度中，以水热型地热资源为主，广泛应用于日常生产、生活中；第三类是深层干热岩型地热能，蕴藏于距地表3000~6000m的深处，温度在150-650^之间。我国的地热能供暖现状如表］所示。
数据来源：地热能开发利用“十三五”规划
表1我国地热能供暖现状104m2省份浅层地热能供暖制冷面积水热型地热能供暖制冷面积辽宁7000200
北京4000500
山东30001000
河南2900600
河北28002600
江苏250050
安徽180050
天津10002100
陕西10001500
广西22000
其他省份110001610全国3920010210朝花夕拾狗猫鼠读书笔记
由表1可知，已有较多省份对浅层地热进行了开发利用，但绝对值并不高且各个省份地热利用面积差异
较大，地热资源在各个省份分布不均也是地热开发利用较为困难的原因之一。由于分布不均，难以形成全国范围的规模效应，辽宁省浅层地热利用面积领先全国是因为东北地区南部、华北地区一带有丰富的浅层地热资源，相比于其他省份可以更为经济地开采；而水热型地热资源在华北平原分布广泛，这也是河北省水热型地热利用面积较大的原因。
1.2地热资源宏观形势分析
1.2.1地热发展潜力分析
全球地热能理论储量约为1.25x1031J，目前可开采范围内地热能约为1.4xlO25」，相当于地球上全部煤炭所蕴含能量的5000万倍。地热能是一种新型清洁能源，利用地热能不会释放大量的CO?、S02和N0x等温室气体，有利于环境保护，能助力中国实现减排承诺。较好利用地热能，有效释放地底压力，甚至可以减少火山、地震等自然灾害。地热能发展速度较快，应用范围广，目前世界上利用地热能的方式主要是地热发电和地热供暖，其他应用方式也有很大价值，且具有很大的市场份额。开发地热应用领域也是促
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进能源结构进一步优化的有效举措。
1.2.2地热开发挑战分析
地热能总体资源储量丰富，但分布极其不均衡，给地热能的全面开发利用带来了一定的困难；各地资源类型不同，所需技术也相差较大；有巨量资源分布在西藏、云南等欠发达地区，缺少完整的行业产业链条，初始投入巨大足以劝退许多企业，这些都增加了地热能开发利用的难度，需要一条符合中国国情的特道路。
地热能作为新兴能源的一种，发展前景虽好，但面临着初始开发投资较高、政府补助落地存在一定滞后与政策不明朗的缺点，不利于形成规模经济。增强型地热系统(EGS)技术目前没有较好的进展，对干热岩型地热不能较为有效的进行开发。作为新兴事物，最重要的问题就是资金，地热能的开发还面临着一定的融资风险。
2无干扰地热供热经济效益分析
无干扰地热供热技术是向中深层岩层钻井，以地下中深层热储层(2km~3km)或干热岩为热源，不取用地下水且对地下含水层无影响，通过中深层地热换热系统提取热量并通过地热热泵机组向建筑供热，主要由中深层地热换热系统、地热热泵系统、建筑室内供热系统以及监测与控制系统组成。
无干扰地热供热生命周期主要分为四个部分：探测期、建设期、运行期和退出期。其中，探测期沉没成本较高，最需要政府的补贴以及高校及研究所在地质方面的研究；无干扰地热供热项目运行周期长达数十年，且占地面积小，运行不会产生有毒有害物质，因此退出期费用不予考虑。主要涉及三个利益相关者，即政府、生产者厂商和消费者，在产业发展初期由于规模不经济，需要政策的扶持才能使产业较好地成长；产业发展中期，市场之间相互竞争，生产者厂商需要较为有效的策略、技术以及经济优势；对于消费者来说，最为重要的就是价格因素，价格决定了消费者是否会消费。
2.1地热供热成本分析
2.1.1地热供热系统成本
地热供热的生产者角度总成本主要有建设期和运行期的成本，可表示为：
C&=Cc/(P/4,r,n)(1)
C=C a+C。(2)式中:C为地热供热约当年总成本;2为建设期总投资;C。为运行期年成本;C，为建设期投资约当年成本;r为折现率;"为总运行寿命；(P/A,r,“)为年金折现系数。
(1)建设期的主要成本为钻井费，干热岩热源机组设备费，人工费以及其他费用，可表示为：
C c—D+Z7\+7?7^+Off+Cpc+E(3)式中:D为钻头费用;Z为钻机运转费用;7；为钻机运转时间;R为钻机迁移费用；笃为钻机迁移时间;C H为干热岩热源机组设备费;Gc为建设期人工费用;E为其他费用(包括用户侧循环泵、干热岩侧定压补水装置、用户侧定压补水装置、膨胀水箱、全自动软水器、地下换热器管和其他辅助材料)。
(2)运行期的主要成本为电费、人工费以及供暖季开始前后的运营维护和检修，可表示为：
C°=C w+C P0+C M(4)式中:C”为干热岩供暖系统耗电量;4。为运行期人工费用;C”为系统运行维护费用。
故联立(1)(2)(3)(4)式即可得采暖季月单位面积成本：
C uh=\[(<D+ZT1+RT2+C H+C pc+E)/(P/A,r, 7i)+C w+C P0+C M]/S}/t(5)式中:C uh为采暖季月单位面积成本;S为项目供热建筑面积;t为当年采暖月数。
2.1.2地热供热成本分析应用举例
某市新区的TD住宅区项目的供暖系统选择的是干热岩供暖系统。TD住宅区建筑总面积为5.6万n?，具有外墙外保温系统和屋面保温系统。此项目干热岩供暖系统的设计使用寿命是50年，主要设备为干热岩热源机组。
干热岩的质地较为坚硬，钻头的使用寿命一般不长，钻机的运转作业费用相对较高。根据相关参考资料和现场调查获得数据为，钻头单价8万元，平均钻进寿命为200m。钻井要求中间不能长时间停止否则会发生塌井事故，因此钻机每天工作24h，钻机的平均钻速为8m/h，干热岩井深均为2000m。钻机运转期间每天平均作业费用为2.9万元(含专业钻井人员工资、钻机动力燃料及钻机折旧费用)，迁移钻机设备期间的
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作业费用为每天1.6万元(含专业钻井人员工资、吊装拆卸动力燃料及钻机折旧费用)。5个钻孔按次序钻进，每孔钻机安装时间(含迁移时间)平均4d，每孔钻井作业需要10.4d，合计72d0据此，5孔2000m深的干热岩井的钻井费用为583万元。干热岩供暖系统所用设备、数量及价格如表2所示。由此，该干热岩供暖项目的初始投资总额为799万元，因此该项目的单位建筑面积投资额为142.7X/m2o
表2无干扰地热供热系统初始投资成本
设备名称数量耗电量/kWh单价/万元总价/万元备注干热岩热源机组2台制热2304080_用一备用户侧循环泵5台55  2.512.5四用一备干热岩侧定压补水装置1套  2.5  2.5
用户侧定压补水装置1套  3.5  3.5
膨胀水箱1套  1.2  1.2全自动软水器1套  1.5  1.5
地下换热器管5套1050
其他辅助材料  4.8
钻孔费583管道安装等人工费60
合计799
项目为住宅小区，根据当地物价部门相关规定，干热岩供暖系统为可再生能源系统，采用居民电价收取电费。根据某省电网的电力销售价格规定，居民电价为0.4983元/kWh(该项目未执行峰谷电价)，冬季系统总运行时间为4个月。通过调研2014-2016年实测数据发现，干热岩供暖系统年均供暖运行耗电量为571200kWh，全年运行能源费用为28.46万元。目前，干热岩供暖项目系统在运行期间需要三名经过培训的专业工人(满足24h值班要求)，每人月工资4000元(含五险一金支出)。此外，每年供暖季开始之前和结束之后需要对供暖系统管道进行冲洗，对设备进行检修维护，运营维护的年平均成本为1.8万元(调研数据)。所以该干热岩供暖项目人员工资支出为每年14.4万元，年运行费用为44.66万元，则年运营成本为7.98jb/m2。
根据干热岩供暖系统设计使用寿命50年，按5%的年利率(考虑融资费用，比银行基准利率略高)计算，
由生命周期成本分析法可得该项目投资的生命周期成本年值为43.77万元。为与其他供暖系统对比，进一步将投资成本年值均摊至供暖面积，按供暖面积均摊的投资生命周期成本年值为7.82x/m20干热岩供暖项目的年运营成本为7-98jc/m2，据公式计算可得，TD 干热岩供暖系统项目投资的生命周期总成本为15.80x/m2，平摊至采暖季每月为3.95元/m?。
2.2地热供热经济效益分析
2.2.1地热供热系统经济效益
地热供热主要收入包括两部分，一是正常运行收入，二是清洁能源政府补贴，可表示为：
R=R o+G a(6)
G“G/(P/A,r,")(7)
Ru=R/S(8)式中：丘为地热供热年收入;％为正常运行年收入;Qi为政府约当年补贴;G为政府一次性补贴;r 为折现率；n为总运行寿命;(P/A,r,n)为年金折现系数;R q为单位面积年收入;S为项目供热建筑面积。
新的一周
联立(6)(7)(8)式可得，采暖季月单位面积收入：
R UH=\[R o+G/(P/A,r,n)yS}/t(9)式中：丘凹为采暖季月单位面积收入”为当年采暖月数。
生命周期年均利润i L=(R UH-C UH)xtxS(10) 2.2.2地热供热经济效益分析举例
某市新区的TD住宅区项目供热需求(住宅供热)面积约为5.6万亦。参照该市市政集中供热收费标准：住宅5.4元/(月•rr?)，按采
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暖期4个月计算，则项目达到设计供热能力后，年供热收入120.96万元。另外根据城市基础设施配套费收费标准等相关文件，项目可享受120.87b/m2的补贴收入，根据供热面积计算得本项目约有676.48万元可作为一次性补贴收入计入运营期内。根据生命周期计算的年均利润为69.44万元。科目二考试规则
表3主要经济财务指标
指标名称数据备注建设期初始投资额799.00万元
年运行成本44.66万元
项目政府补贴676.48万元
年运行收入120.96万元
小摄影师续写采暖季月单位面积成本  3.95元/（月•m2）采暖期4个月采暖季月单位面积收入7.05%/（月•m?）采暖期4个月项目净现值1270.41万元5%
项目回收期10.47年去除政府补贴
内部收益率9.40%去除政府补贴
从表3中可以看出，在无政府补贴的情况下，该项目初始投资成本较高，回收期较长，但有良好的内部收益率，投资可以得到较好的回报。同时，一年中用于供暖的时间只有四个月，对换热井及管道的利用率较低，考虑应用“多能互补、集成优化”综合能源供应模式，实现“一站式”热、冷、蒸汽、热水的多元供应，可以对换热井、换热管道做到合理利用，同时拉长供能时间，有效缩短项目投资回收期。
2.3各种供暖方式成本对比分析
供暖方式主要有燃煤、天然气、电以及清洁能源（主要包括地热能、太阳能）等，我国现阶段还是以燃煤供暖方式为主，占总供暖面积比约80%。燃煤供暖占比较大存在历史原因和资源因素，虽然煤炭
14K老大获取较为容易，且已形成较为完整的供暖体系，但存在较大的环境影响，经过处理的洗煤或对燃烧尾气的处理虽减轻了对环境污染，但大大增加了燃煤供暖的成本；天然气供暖对环境的影响极小，产生的尾气可宜接排放，其供暖方式分为分散式壁挂炉供暖和集中天然气锅炉供暖，分散式壁挂炉供暖不仅可以给用户供暖，还可以同时提供生活热水，天然气供暖的运行费用中93%是天然气费用，其余为电费和水费。通过表4可以看出，无干扰地热供热的运行费用最低，且初始投资相对较低，天然气分散供暖的运行费用最高，但初始投资费用较低，燃煤供暖初始投资最高，且运行费用也较高。
表4各种供暖方式初始投资与运行费用比较热源形式
初始投资运行费用
7E/m2兀/（月-m2）无干扰地热142.7  2.00
燃煤260  5.80“分散式10010.00天然气斗亠亠
集中式2408.00在各种供暖方式中，无干扰地热供热方式可以产生更多的消费者剩余以及生产者剩余，从而实现福利最大化，即总剩余最大化。由于现在燃煤供暖占比较大，无干扰地热供暖方式达不到边际效益最大，产生了较多的无谓损失，在成本角度分析厂商应该涌向无干扰地热供热市场，但现在市场实际份额较低，所以存在很多其他不利于地热能发展的因素，需要政府进行一定的干预。对北方城
市供暖现状进行分析，我国已经形成以集中供暖为主、多种清洁供暖方式为补充的发展格局，大力发展清洁、低碳、经济的绿能源是供热行业的必选之路。中深层地热能作为新兴的洁净绿能源，其取之不尽、用之不竭的特性被能源领域等行业越来越重视，其取热技术相对较为简单，对地域要求较低，可在北方地区大范围推广。
3结论及政策建议
经过无干扰地热供热全寿命周期经济效益分析，发现无干扰地热供热方式相比于其他传统供热方式存在巨大的利润空间，且单从技术方面讲，只要开采深度达到一定值，均可以开采到干热岩，不会受地域的制约，具有较大的开发利用空间。干热岩地热资源将会成为未来主要发展方向，所以无干扰地热供热也会随之长远发展。无干扰地热供热的尾热综合利用、梯级利用会进一步提升其经济效益，且会进一步优化对生态环境的保护。无干扰供热技术具有普遍适用、绿环保、保护地下水资源、高效节能、系统寿命长、安全可靠的特点。
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