北京浅层地热能冬季供暖调查报告

摘要：近年来，北京的清洁取暖（自采暖）、清洁供暖（集中供暖）工作成绩显著，成果产业化实践结果清晰。本文就浅层地热能作为北方冬季供暖的替代能源，实现供暖能源转型，利用可再生能源区域无燃烧、零碳排放的物理变化过程为北方建筑物进行供暖进行了重点调查，特别是对北京农村电替煤推广应用中农户使用成本比烧煤还便宜对重点深入调查核算、核实。浅层地热能城市集中供暖项目、农村集中“煤改电”项目、农村自采暖项目各选三个典型项目，就项目运行情况，替代能源数量和节能减排情况进行详实的测算分析，并就浅层地热能供暖推广，提出需要满足的条件。

关键词：浅层地热能；供暖能源转型；农村煤改电；清洁供暖（集中供暖）；清洁取暖（自采暖）

一、浅层地热供暖技术及应用背景概述

（一）浅层地热能的简单概念

“冰冻三尺”，三尺以下不冻是因为有热。这些低温能量可以依靠热泵技术提取其中的热量用于建筑物供暖，这部分低温能量被称为浅层地热能。供暖利用的浅层地热能一般指0~120米深度内储存的温度在25℃以下的低温、低品位对可再生热能。

浅层地热能储量丰富、分布广泛；再生迅速，且有较强的恢复能力，浅层地热能可在一个使用季节中通过地下局部的暂时降低温度持续不断地输出热能，而在非使用期得到恢复；温度适中、稳定性好，温度更接近于使人舒适的室温。

（二）浅层地热能的采集方式

目前，北京浅层地热能供暖采集方式主要有二种。地埋管系统和单井循环换热系统。

地埋管系统的典型结构是由垂直埋入地下100米左右深度的单U型或双U型换热管组成。换热管内的介质通过管壁与周围的岩土体换热。它的优点是适应多种地质条件，缺点是换热能力差，占地面积大。

中关村原创的浅层地热能安全、高效、省地、经济的单井循环换热采集技术，实现100%同井同层回灌。系统换热过程全封闭无暴气，没有水的流失和污染、不会造成潜在的地质灾害等优点。

（三）浅层地热能的应用

浅层地热能作为供暖的替代能源，为建筑物物理变化过程供暖，使用区域无燃烧、零碳排放。设计了以分布式热源输送模式为特征的供暖解决方案，北京市场上有包括地能热宝系统清洁自采暖、地能热泵环境系统清洁供暖和分布式地能冷热源站。

地能热宝系统是针对建筑较为分散的我国北方农村地区和城市的别墅区的分间供暖方案。地能热宝系统是暖保证、冷兼有、生活热水可选配的地能热冷一体化系统。实现了农户“暖保证、冷兼有、生活热水可选配，暖哪间房开哪间，不开也不冻”的继承了中国传统“省着用”的自采暖模式。

地能热泵环境系统是利用浅层地热能无燃烧为建筑智慧供暖的清洁供暖系统。浅层地热能作为建筑物的替代能源，为建筑物供暖能耗60%以上是稳定的可再生浅层地热能，使用区域零污染、零排放、实现供暖能源按品位分级利用。以安全、高效、省地、经济的“单井循环换热”地热能采集原创技术产业化发展为基础，与热泵技术产品结合，靠近建筑物热负荷中心分布式设置，可设计性强，适用范围广，不增加建筑物成本及配电容量。

北京已经应用项目上，以换热井群分布式采集组网为基础的单井循环换热采集技术为核心的系列化冷热源站。单一利用浅层地热能替代现有城镇区域的供暖热源。该系统将为单体建筑供热的地能热泵环境系统区域连通，技术上更安全可靠，实现了地能热冷一体无燃烧为新兴城市建筑物供热、制冷并提供生活热水，设计供热规模为5～900MW。

二、浅层地热能供暖的主要优势

利用浅层地热能供暖具有诸多优势，可以有效提升居民生活品质、减少建设开发投资、降低供暖成本、促进节能减排，对于推动供暖能源转型、环境改善具有重要意义。浅层地热能供暖就近取热、就近供暖，无需建设长距离热能输送管网，有效减少了输送热能的大量功耗和热损失。同时，浅层地热能供暖有效促进城乡绿色发展，每个采暖季，每100万平方米建筑可替煤9710吨标准煤，天然气1080立方米，还可以减少二氧化碳排放2.45万吨，减少二氧化硫排放228吨，减少氮氧化物排放151吨，可减少颗粒物排放416吨，减少烟尘排量1.3亿立方米，增加售电3000万度（1500万元），400人就业。同一系统在制冷时，浅层地热能温度比室外低，节电效果明显。具有明显的替煤、节能、减排效果。

三、城市浅层地热能集中供暖

集中供暖是城市供暖的主要模式。

调研组对北京市海淀外国语实验学校、国家行政学院港澳培训中心、全国工商联办公楼三个浅层地热能集中供暖项目情况进行调查。

（一）北京市海淀外国语实验学校

北京市海淀外国语实验学校位于北京市海淀区，占地面积350亩。是有6000学生的全寄宿制学校，北京海淀外国语学校从2001年开始采用浅层地热能供暖系统，对教研楼、教室、游泳池、体育馆、宿舍、食堂、景观水池等进行供暖覆盖，供暖冷建筑面积92632平方米。该系统依据学校区域内建筑物功能设立机房，现共有地能热泵环境系统机房14个，均可独立运行学校在校园范围内实现了三联供。根据室外环境温度，各建筑室内温度可以在18-28℃之间随意调节，分别满足冬季和夏季对舒适度的要求，并同时提供24小时生活热水和泳池水加热。

经过2001年至今的多年实际运行，该项目运行稳定.根据实际数据统计，从2005年-2017年，供暖季单位耗电量平均29.58千瓦时/平方米，含6000人每天洗澡水和游泳池热水提供，按照居民电价0.4886元/千瓦时计算，全年运行直接费用为21/平方米。通过数据统计，2005-2017年，与直热式电锅炉供暖相比，累计节电97975MW，节省电煤32749吨，减少电厂投入4199亿元。同时，减排二氧化碳76132吨，二氧化硫40.9吨，氮氧化物37.8吨，减排烟尘8吨。

（二）国家行政学院港澳培训中心

国家行政学院港澳培训中心位于北京市海淀区，主楼为12层连单层地下室，并辅以周边配楼，建设项目总占地21600平方米，建筑面积43219平方米，包括教学培训区、餐饮区、学员宿舍区、羽毛球馆、篮球馆、乒乓球馆、网球馆、台球室、健身房和地下停车场等设施

在每年供暖季以及制冷季中，浅层地热能供暖（冷）模式单位能耗与总能耗保持在较低的水平，具有较好的经济与环境效益。经数据统计，2014年-2017年，国家行政学院港澳培训中心在每个供暖季的单位平均能耗27.8千瓦时/平方米，制冷季的平均单位能耗11.4千瓦时/平方米。若按0.93元/度的电价计算，培训中心在每个供暖季的直接能耗成本为26元/平方米，远低于北京市热力非居民供暖42元/平方米的消费。同时，地能热泵环境系统可以24小时提供生活热水并对泳池进行加热保温，对国家行政学院的培训工作提供强有力的支持。

从环境效益看，相较于直热式电锅炉供暖，2014-2017年港澳公务员培训中心累计节电14339MW，减少电煤4793吨，减少电厂投入614亿元、减排二氧化碳约11142吨，二氧化硫6吨、氮氧化物5.5吨。

（三）全国工商联办公楼

全国工商联办公楼位于北京市西城区，供暖面积23000平方米。据统计项目自2011年运行以来，供暖季单位平均能耗12.64千瓦时/平方米，制冷季单位平均能耗7.68千瓦时/平方米。经计算，与直热式电锅炉供暖相比，项目累计节电6104MW，节省电煤2040吨，减少电厂投入262亿元，减排二氧化碳4743吨，二氧化硫2.6吨，氮氧化物2.4吨。

地能热泵环境系统集中供暖，可使用户根据不同的室外温度，根据冬季供暖需求，对供暖时间，供暖温度自行控制调节。这种采暖方式在节约能源消耗的同时，能充分满足个性化要求，在供暖季，灵活调节各建筑物的温度，确保温度稳定在18-28度之间。同时，地能热泵环境系统满足项目对生活热水的需求，生活热水24小时不间断供应。泳池加热，24小时恒温27-29摄氏度。24小时的高效供暖为客户最大限度的提供人性化、舒适的学习、培训和办公环境。

与直热式电锅炉相比，地能热泵环境系统在保障了客户供暖、制冷、生活热水需求的同时，减少了电厂、电网的投资费用，大幅减少配电、输电和用电费用。（节能减排效果见表1）

表1  北京海淀外国语实验学校、国家行政学院港澳培训中心、全国工商联办公楼节能减排效果

注：数据是由相关资料测算而得。

在节能的同时，减少电煤的使用，减少有害废气的排放，有效促进了城乡绿色发展。

四、蓝天保卫战的北京“煤改电”清洁供暖（集中供暖）

近年来，由于燃煤采暖造成北方地区雾霾天气频发，已严重影响了人民的日常生活和身体健康。

煤炭燃烧是二氧化硫与二氧化碳的重要排放源，是雾霾形成的重要原因之一。煤炭燃烧时除产生大量颗粒物（包括一次PM2.5）外，还会形成二氧化硫、氮氧化物、烃类等有害气体，这些气态污染物在大气中又会发生一系列化学反应生成二次PM2.5等，对环境危害很大。

2016年12月21日，习总书记在中央财经领导小组第十四次会议上明确提出，推进北方地区冬季清洁取暖，按照“企业为主、政府推动、居民可承受”的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。而“煤改电”让居民告别了传统的燃煤取暖方式，生活品质和环境效益得到了巨大的提升。

浅层地热能参与的北京“煤改电”项目的区域集中在四、五环外的城乡结合部地区，由于历史原因，供热区域内建筑以平房为主，建筑密度较大，保温差，租户较多，导致供暖需求大。

项目改造前，村内居民冬季供暖采用散煤燃烧的方式，每户设置独立的燃煤锅炉，由于冬季供暖大量散煤的燃烧，各种大气污染物直接排放，造成了严重的环境污染，使村庄在整个冬季内均处于烟雾笼罩之中。同时，村内建筑非常密集，大部分居民为了供暖和冬季燃煤的存放，占用了公共道路等空间，给人员通行带来不便，阻碍了消防疏散，也给村内的人员安全点来隐患。

项目采用地能热泵环境系统进行集中供暖改造。集中式供暖改造采用采用地源采集井+集中热泵机房+暖气片系统的方式，同时电力改造至地源热泵机房即可，完成煤改电供暖的同时，减少了电力改造的施工难度及投资造价。根据系统的构成，项目整体分为三个部分同时施工--浅层地热能采集换热井+集中热泵机房+末端管网及暖气片系统。项目总计设置了14个集中热泵机房，159套集中供暖热泵机组，70米深、共248口单井循环换热井采集浅层地热能，以及近80万片暖气片。

课题组就北京海淀区西冉村、西山村、清河四街社区三个集中“煤改电”项目情况进行调查。

（一）西冉村“煤改电”项目

西冉村集中“煤改电”项目包括西冉、佟家坟共434户，总供暖面积161791平方米，改造前冬季供暖散煤燃烧约4774吨。项目共打无蓄能颗粒采集井52口,2017年供暖季每平米耗电量为52 千瓦时/平方米。经计算，2017年供暖季，相较燃煤供暖，减少标煤598吨，减排二氧化碳5970吨，二氧化硫32吨，氮氧化物9吨，烟尘49吨。

（二）西山村“煤改电”项目

西山村“煤改电”项目包括东平庄、西平庄、南平庄共724户，总供暖面积316039平方米，改造前冬季供暖散煤燃烧约9412吨。项目共打无蓄能颗粒采集井98口，2017年供暖季每平米耗电量为50.8千瓦时/平方米。经计算，2017年供暖季，相较燃煤供暖，减少标煤1356吨，减排二氧化碳12184吨，二氧化硫63吨，氮氧化物18吨，烟尘96吨。

（三）清河四街社区“煤改电”项目

清河四街社区集中“煤改电”项目包含清河四街935户，总供暖面积142609平方米，改造前冬季供暖散煤燃烧约4300吨。项目共打有蓄能颗粒采集井47口，2017年供暖季每平米耗电量为54.6千瓦时/平方米。经计算，2017年供暖季，相较燃煤供暖，减少标煤469吨，减排二氧化碳5218吨，二氧化硫29吨，氮氧化物8吨，烟尘44吨。

实践证明，浅层地热能“煤改电”供暖项目恰恰改变了这一之前“难以扭转”的空气污染现象，北京的“雾霾天”减少，散煤治理贡献率达到了40%左右（节能减排效果见表2）。

表2  西冉村、西山村和清河四街“煤改电”项目节能减排效果

资料来源：实地测算数据

“煤改电”清洁供暖改造以前，冬季使用散煤取暖的村庄的大多生活环境污染严重，村中的道路被煤堆子占据，能源使用不安全，空气质量差。浅层地热能“煤改电”供暖项目改变了农村以燃烧散煤、树枝和木炭为主的取暖方式，不用添煤、换煤，取暖能源使用安全，极大提高了村民的生活品质。同时，“居民可承受”是北方地区推行清洁供暖必须考虑的因素。数据显示，采用燃煤、天然气挂炉、空气源热泵、地源热泵和储能式电暖器供暖，一个供暖季折算费用分别为18.5元/平方米、13.8元/平方米、18.3元/平方米、9.6元/平方米和21.3元/平方米。可以看出，在北京，浅层地热能供暖的采暖费用在这5中供暖类型中最低，仅为9.6元/平方米。以农村100平方米的住宅为例，一个供暖季的电费仅有960元，是燃煤供暖所需费用的53%。 

五、蓝天保卫战的北京“煤改电”清洁高效自采暖

农村地区由于面积广、住宅分散、建筑多为单层单院式、投资规模大等诸多原因，不适合采用集中供暖方式。因此，我国农村地区采暖多采用分散自采暖方式。但传统自采暖方式供热效率低，相同能耗水平下，供给的热力无法将室内温度提升至舒适程度。而浅层地热能供暖可以将供暖系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端，独立地输出热源，即提供一种分布式的清洁高效自采暖模式。

课题组就恒有源集团西闸村、罗家坟村、龙泉雾村三个农村自采暖项目情况进行调查。 

（一）西闸村村民“省心、省力、省钱、方便、干净”的五乐清洁自采暖

西闸村位于北京市海淀区上庄镇，村民住宅建筑面积近6万平方米，全村共有平房院落220户。改造前，西闸村供暖季耗煤约1100吨，在冬季利用燃煤供暖的过程中，存在环境脏乱差等现象，煤炭燃烧供暖期间烟雾缭绕。2016年，北京市海淀区组织农户煤改清洁能源供暖招标。恒有源集团是中标单位之一。西闸村党支部、村委会组织村民考察各中标单位推荐的方案后，经村民代表举手表决，选择了热冷一体化的浅层地热能供暖冷方式。恒有源集团承担西闸村供暖改造任务。历时27天，西闸村在全区率先完成海淀区整村“无煤化”改造。

改造完成后，经济和社会效益显著：

1、建立村级热冷一体化运营维修站，可以提供平均4个以上村民就业机会。

2、一个冬季，每平方米供暖耗电30度。供暖成本相当于烧土暖气成本度50-90%。西闸村供暖面积6万平方米，一个冬季增加供电企业供暖售电180万度。

3、利用可再生浅层地热能供暖，没有了燃煤供暖造成的空气污染。省了政府燃烧供暖环境治理的资金投入，整村供暖无燃烧、零碳排放。

4、整村浅层地热能替煤供暖，每个供暖季可减少标煤184吨，减排二氧化碳1483吨，二氧化硫7吨，氮氧化物2吨，烟尘11吨。

（二）罗家坟村村民清洁自采暖探索之路

罗家坟村共108户农户，总面积22900平方米。在2015年以前，罗家坟村供暖季耗煤约540吨，环境治理困难。2014年，海淀区各相关部门扎实落实清洁空气行动计划的各项措施，于2015年在罗家坟村蓄能式电暖气“煤改电”试点项目工作。蓄能式电暖气经过2015、2016年两个供暖季的使用，每平方米供暖耗电一个冬季在190度以上。供暖设备寿命到了，政府在总结实验成果的基础上，建议罗家坟党支部带村民调研所有供暖的实验项目和供暖方式。调研过程中，省心、省力、省钱、方便、干净的浅层地热能供暖冷的方式优势明显，村民代表表决，最后确认利用浅层地热能供暖。在2017年9月，海淀区政府推进，企业用时1个月，对罗家坟村进行浅层地热能供暖改造。运行效果和费用村民非常满意。

利用电能转化成机械能驱动热泵系统，搬运土壤中低温低品位的浅层地热能为村庄农户供暖，与蓄能式电暖气采暖相比，地能热宝系统度配电和运行成本都是原来的四分之一。

改造完成后：

1、罗家坟村供暖面积22900平方米，恒有源集团在罗家坟村建立维修站，可以提供平均2名以上村民的就业机会，经过培训，保证供暖和设备的及时维修。

2、本项目减少输电配电818千瓦，可以减少输变电线路投入57万元。

3、利用可再生浅层地热能供暖，与电蓄能采暖器比，替代了电能3962MW，节约电厂投入158.5亿元，减少电厂发电标准煤耗1236吨、减排二氧化碳2874吨、二氧化硫1.5吨、氮氧化物1.4吨。

（三）龙泉雾村自采暖暖心工程

龙泉雾村位于北京市门头沟区的浅山区，村民住宅建筑面积近145570平方米，全村共有平房院落1629户。改造前，西闸村供暖季耗煤约4400吨，在冬季利用燃煤供暖的过程中，不但村民需要在寒冷的冬日添煤、换煤，弄的满手黑，村中的环境质量、家里空气质量也非常差。冬季的取暖对于龙泉雾的村民来说是“寒心”的。恒有源集团于2016年中标龙泉雾村“煤改电”项目，科学推广地能热宝供暖系统，承担龙泉雾村供暖改造任务。

改造完成后，经济和社会效益显著：

1、项目完成后，村民家中温度可以18-26度随意调节，再也不用冬季外出添煤、换煤。村民花的供暖、制冷、家电使用的一年的电费，比单一的买冬季供暖烧煤的费用还少。

2、为保障设备的运行，将村民进行培训后担任龙泉雾村设备维修保障人员。龙泉雾村共设有5个保障小组，十几个维修保障人员。

3、龙泉雾村供暖面积14.6万平方米，一个冬季增加供电企业供暖售电438万度。

4、整村浅层地热能替煤供暖，每个供暖季可减少标煤1683吨，减排二氧化碳8135吨，二氧化硫31吨，氮氧化物10吨，烟尘45吨。

西闸村、罗家坟村和龙泉雾村通过采用浅层地热能供暖，均取得了切实的发展效果，不仅有效的解决了农村燃煤供暖的安全隐患，也有效解决了蓄能式电暖气供暖的费用问题，提升了农民生活品质，并大幅减少了能源消耗和污染物排放，促进农村节能减排，如表3所示。

表3  西闸村、罗家坟村和龙泉雾村节能减排效果

资料来源：实地测算数据

在参与政府推动西闸村、罗家坟村和龙泉雾村利用浅层地热能供暖的实践中，体会到了习主席的“企业为主、政府推动、居民可承受”的清洁取暖的指示的具体落实。造福了百姓。在实地交流反馈中，利用浅层地热能供暖比烧煤成本低，得到了村民的普遍认可，对于超出政府补贴范围的面积，村民都愿意自费安装地能热宝供暖系统，村民感概和总结，浅层地热能清洁自采暖，省心了，省力了、省钱了，方便了、干净了。生活质量得到很大提升，实现了企业、政府、农村居民的共赢发展。

六、推行浅层地热能供暖小结

首选作为北方供暖的替代能源减少供暖能源品位的浪费。浅层地热能可以能源品位相当、温度对口的为建筑物物理变化过程供暖，保证房间温度在16-28度之间按需调控。道德用能是浅层地热能供暖的一大优势。烧煤700~800度，烧天然气1100度，供暖目标是保证房间20多度，能源品位浪费严重，且伴随燃烧排放造成环境严重污染。供暖要站在道德高度上规划供暖能源的供给、保护环境。

首选作为北方供暖的替代能源，区域无燃烧、零碳排放为建筑物物理变化过程供暖应该同时满足：

1、建筑物不增加标准配电。

2、北京地区一个冬季供暖，房间温度高于18度，耗电不超过35度/平方米。

3、推广可简单复制，老少皆宜、操作简单方便。

4、供暖区域无燃烧、零碳排放。

5、按浅层地热能稳定供给温度匹配供暖热泵，保证在最恶劣气候满足室内最基本的18度以上的温度。

• 以上是恒有源科技发展集团对北京1000多万平方米利用浅层地热能清洁供暖、清洁取暖的部分案例的调研。恒有源科技发展集团专注浅层地热能作为北方供暖替代能源的开发与利用，浅层地热能供暖区域无燃烧、零碳排放，清洁取暖（自采暖）、清洁供暖（集中供暖），助力北方供暖能源的转型。