郭全成，冯运兰

(新乡市节约用水中心，河南 新乡 453000)

新乡市城区位于太行山南麓，属山前倾斜平原与黄河冲积平原的交接带，地形西高东低，北高南低。北部地面高程130 m～210 m，南部地面高程69 m～73 m，区内最高点凤凰山标高为292.7 m。纵观全区地貌轮廓，大体可分为三部分，北部为丘陵岗地，中部为山前冲洪积倾斜平原，南部为黄河冲积平原。区内全为第四系松散层所覆盖，含水层由多层密实的粉细砂、砂砾石及中细砂和细砂岩组成。浅层地下水顶板埋深北部30 m～40 m，南部超过300 m。大部分埋深大于100 m。城区现有地源热泵用户85家，用户面积总共约180万m2，用水量每年约300万m3，开发深度80 m～100 m较多。地源热泵换热形式多采用一抽二回或一抽多回。地源热泵地下水换热形式随着运行时间的推移回灌能力逐渐降低，在夏季直排或偷排现象尤为严重。由于地源热泵地埋管形式建设成本较高，使得用户使用较少。

新乡市城区200 m以内浅层地热能小部分地区适宜地下水换热方式进行开发，大部分地区适宜地埋管换热方式开发。通过测算，200 m以内浅层地热能总功率为冬季2.36×106kW，夏季3.79×106kW。在暂不考虑允许建设区土地面积的情况下，单位温差浅层地热容量为27.79×1012kJ/℃。

1 环境效益分析

浅层地热能资源作为一中清洁环保的新型可再生能源，资源储量大、分布广，发展前景广阔，市场潜力巨大。积极开发利用浅层地热能对缓解能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进新乡市生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。2013年，新乡市就已获得国家“可再生能源建筑应用示范城市”称号。在开发利用过程中，由水源热泵机组、地热能交换系统，将岩土体和地下水中的低品位热能转化成可开发利用的高品位热能，减少了能量消耗，不排放二氧化碳等气体及粉尘，对大气环境影响很小，对节能减排起到了积极作用，符合国家制定的节能减排、保护环境的政策。根据测算，新乡市城区全年可利用浅层地热能资源约为0.90×1013kJ/a，折合标煤约3.06×105t/a，减少二氧化碳排放量约7.50×105t。见表1。

表1 环境效益分析表

2 浅层地热能开发利用环境影响分析

目前，新乡市城区浅层地热能开发除可能造成地下水资源浪费外，尚未发现有较大环境影响。根据有关文献，结合新乡地质条件对不合理的浅层地热能开发可能造成的的环境影响分析。

2.1 地下水源热泵开发造成地下水资源浪费

新乡市城区多数地方属地下水源热泵换热不适宜区，新乡市浅层地热能利用当中存在的问题主要是：地下水换热运行后回灌能力随着时间逐渐降低，特别是在夏季，直排或偷排现象尤为严重，不利于地下水资源费的节约、保护。即便在适宜采取地下水换热的区域，长期运行也会影响地下水水质。造成地下水中铁等金属元素含量偏高。因此，建议在城市规划区内从严审批地下水源热泵项目，并对已有项目加强监督管理。

2.2 冷热不平衡造成土壤生态环境破坏

地源热泵地埋管换热方式会向岩土体中释放热量或是从岩土体中吸收热能，从而会造成局部岩土体温度改变，通过地埋管换热模拟及实际运行的经验发现，地埋管换热方式长时间运行后，通常岩土体温度都会有一定的升高。随着岩土体温度升高会造成一定风险：(1)近地表岩土体温度的升高，越冬类昆虫的繁殖能力会有所增强，进而增加病虫害发生的风险性；(2)近地表岩土体升温会加快土壤的干燥过程，而土壤中的微生物和菌类的繁殖和生存都需要在较高的湿度下才能进行，土壤的干燥会使微生物和菌类失去生存的环境，进而引发局部区域生态灾害的风险性。

新乡地区冬季供热、夏季供冷基本平衡，合理开发不会造成以上问题，但如果仅仅用于单向制冷或制热，则可能造成土壤温度变化，带来各种生态环境变化。

3 经济成本评估

因地下水换热方式建设成本较低从经济角度效益较好，本次仅以地埋管换热方式为例进行经济成本评估。

同样以20000 m2建筑面积，以表冷热负荷参数为依据，分别对地埋管热泵系统和传统中央空调系统的初期投资、年运行费用和总费用进行比较。

3.1 初期投资成本比较

土壤源热泵系统和传统中央空调系统两种方案的建筑物内热交换系统，循环水泵及管路，空调用户控制及末端设备均基本相同，按一致估算；对于初投资主要比较系统的建筑物外侧部分，各方案的初投资概算见表2。

表2 初期投资概算表

如表2所示，土壤源热泵系统初期需布设大量的换热试验孔，因此初期投资成本相比传统空调系统要高出70万元。

3.2 长期运行费用比较

首先对两项方案的年运行费用进行对比，按设计冷负荷90 W/m2，设计热负荷75 W/m2，则总体冷负荷为1800 kW，热负荷为1500 kW。夏季供冷期按100天运行，冬季供暖期按110天运行，系统按每天平均10小时运行。

土壤源热泵系统中的循环热水，可以用作生活热水被用户再次使用，而传统空调系统，需要另外加装电锅炉系统才能为用户提供生活热水。中央空调系统的运行费主要由和维护管理费两大块构成，其中能耗费包括水费和电费；维护管理费包括维修费和人员工资福利费等。综合分析年运行费用组成见表3。

表3 年运行费用比较表

续表3

由表3可知，土壤源热泵方案增加的初期投资能在3年～5年内收回。虽然土壤源热泵系统的初投资回收期相对较长，但是该系统运行能耗较低，并且只消耗电能，正常运行过程中不会对周边环境造成直接污染，也不会将余热排放到室外大气环境中，有着显著的节能环保优势与经济效益优势，因此具有较强的推广开发利用价值。

4 结语

新乡市的浅层地热能开发利用，通过近二十年的实践，已初步摸索出一套适合本地经济社会发展的浅层地热能管理模式。在今后的实践中，通过总结经验、查找不足，向先进地市学习，按照技术先进、环境友好、经济可行的总体要求，全面促进浅层地热能资源的合理有效利用，推动新乡经济社会的更好更快更强发展。