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(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心，北京 100083)

地熱資源是指能夠經(jīng)濟地被人類所利用的地球內(nèi)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(huán)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(fā)利用難度較低等特點，已經(jīng)成為一種新型的可再生能源。為了充分利用地熱資源，根據(jù)“品味對口，梯級利用”的用能思想實現(xiàn)地熱能的梯級利用提升能轉(zhuǎn)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(fā)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(shù)。付林[3]等提出了首先利用高溫熱源水進入發(fā)生器自驅(qū)動吸收式熱泵，然后利用熱泵發(fā)生器出水與二次側(cè)直接換熱，換熱后再作為低溫熱源進入熱泵蒸發(fā)器通過熱泵提升能量品味到與二次側(cè)一致，以實現(xiàn)熱源水逐級換熱的吸收式大溫差換熱技術(shù)，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(fā)生器驅(qū)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(lǐng)域較少有吸收式換熱技術(shù)的應(yīng)用。但吸收式換熱技術(shù)可由中高溫地熱水直接驅(qū)動，減少高品位的電能消耗。因此，發(fā)展一種直接由一次能源自驅(qū)動的地熱梯級利用技術(shù)具有很強的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)《地熱供熱站設(shè)計規(guī)范》NB/T 10273-2019，地熱供熱站可以分為地熱水系統(tǒng)、間接換熱系統(tǒng)、供暖循環(huán)水系統(tǒng)、定壓補水系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)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(wǎng)及熱泵蒸發(fā)器等設(shè)備，所以需要通過換熱裝置隔離地熱水系統(tǒng)與供暖循環(huán)水系統(tǒng)。

目前，地熱梯級利用技術(shù)主要有兩種：壓縮式熱泵地熱梯級利用技術(shù)和吸收式熱泵地熱梯級利用技術(shù)?；趬嚎s式熱泵的地熱梯級利用技術(shù)的原理圖如圖1所示。地熱流體首先經(jīng)過一級板式換熱器與供暖循環(huán)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(fā)器提升溫度后供給用戶。經(jīng)過梯級利用的地熱尾水經(jīng)過回灌系統(tǒng)注入采出地層。這種系統(tǒng)需要用電機或透平機來驅(qū)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(fā)生器循環(huán)水進行換熱，再進入二級板換與供暖循環(huán)水進行換，最后地熱尾水進入三級板換與蒸發(fā)器循環(huán)水進行換熱，完成大溫差換熱過程，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。供暖循環(huán)水系統(tǒng)的熱量主要由熱泵發(fā)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(tǒng)、供暖循環(huán)系統(tǒng)、定壓補水系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)與壓縮式熱泵地熱梯級利用技術(shù)相同。

圖2 吸收式熱泵地熱梯級利用原理圖

2 兩種技術(shù)對比分析

2.1 算例設(shè)計及初始條件

華北地區(qū)中低溫度地熱資源豐富，地溫梯度為3～4.5℃/100 m，中國地質(zhì)調(diào)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(qū)動吸收式熱泵發(fā)生器運行的最低溫度，可以作為自驅(qū)動熱源。為了保證地熱資源的可持續(xù)性，需要結(jié)合熱儲特性配置相應(yīng)數(shù)量的地熱回灌井。

以某特色小鎮(zhèn)為背景，建立研究算例，進行技術(shù)方案比選研究。該區(qū)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(nèi)部收益率為評價指標的方案經(jīng)濟性評價體系。其中，收費價格參考北京地區(qū)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?shù)貎r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(shè)備折舊采用直線折舊法，計算期為30年，固定資產(chǎn)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(shè)備14年，直埋管道20年。

2.2 不同系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

根據(jù)2.1節(jié)所建立的算例，對算例區(qū)域建立一座以中深層地熱為熱源的能源站，用戶側(cè)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(wǎng)，不考慮連接用戶的二次管網(wǎng)，完善兩種不同原理的地熱梯級利用技術(shù)方案并開展經(jīng)濟效益分析。根據(jù)實際工程項目建設(shè)經(jīng)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(chǎn)井方可滿足整個算例區(qū)域的地熱供暖負荷，再結(jié)合當?shù)責醿l件配備相應(yīng)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(qū)收費率變化情況 %

根據(jù)實際項目經(jīng)驗估算，當按照新建社區(qū)考慮時，收費率情況按照表2所示變化，兩種技術(shù)路線的內(nèi)部收益率結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，由于當?shù)氐馁Y源條件好，兩種方案的內(nèi)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(jīng)濟性指標均高于吸收式熱泵技術(shù)，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(shè)計測算的，吸收式熱泵設(shè)備初投資較大，且單機功率較大調(diào)節(jié)靈活性較差，在低負荷運行時經(jīng)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(qū)時不同技術(shù)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(shù)的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)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(jīng)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(shù)僅依靠地熱流體與供熱循環(huán)水進行直接換熱即可滿足算例范圍內(nèi)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(tǒng)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(qū)考慮時，兩種技術(shù)路線的內(nèi)部收益率結(jié)果如表4所示。與新建社區(qū)不同，成熟社區(qū)的入住率不會隨時間變化逐漸提高的。因此，兩種方案的內(nèi)部收益率均高于新建社區(qū)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(tǒng)的內(nèi)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(tǒng)的經(jīng)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(chǎn)閑置的情況。吸收式熱泵梯級利用技術(shù)在地熱領(lǐng)域應(yīng)用較少，系統(tǒng)造價偏高，隨著該技術(shù)的推廣，相關(guān)設(shè)備費用還有較大的下降空間。

表4 成熟社區(qū)時不同技術(shù)路線下益率變化情況

3 結(jié)論

本文結(jié)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(yīng)用算例?；诖藢Ρ攘藟嚎s式熱泵梯級利用系統(tǒng)和吸收式熱泵梯級利用系統(tǒng)的經(jīng)濟適用性。結(jié)果表明，在收費率低于80%時，壓縮式熱泵梯級利用系統(tǒng)因初投資較小，具有更好的經(jīng)濟性；而在收費率高于80%時，吸收式地熱梯級利用技術(shù)具有運行成本低的優(yōu)勢，經(jīng)濟性更好。