地热供暖技术经济评价方法及案例研究

摘要：地热能作为新能源之一，其开发利用日益受到关注。尤其在我国供暖需求市场广阔的北方地区，地热供暖正逐渐成为可持续发展项目的重要组成部分。当前对于地热的研究主要集中在地热的资源评价、经济效益分析、开采技术及政策建议等方面，对于项目的技术经济评价研究较少。基于此，本文根据地热项目的特征和技术流程，构建了地热供暖技术经济评价模型，并选取雄县、咸阳两处典型项目具体研究。根据模型计算结果，讨论了地热供暖技术经济评价综合评价模型的运用效果及北方地区地热供暖项目的特征。为科学合理地评价地热供暖项目的综合效益提供参考。

关键词：地热供暖 技术经济评价 北方地区 综合评价

一、引言

我国城市供热已基本形成以热电联产集中供热、燃煤热水锅炉供热为主，电、油、天然气、太阳能、地热、核能供热为辅的格局。集中供热以燃煤（油、气）为主，不仅会产生大气环境污染，而且将高品位能源转换成低品位热水用于供暖，能源利用效率低。地热供暖具有低成本、可持续和环保等其他能源供热不可比拟的独特优点，可实现无污染的循环供热。我国水热型地热资源资源储量非常丰富，且资源分布区与供暖需求城市区重叠，使得尚处于初期发展阶段的地热供暖行业前景广阔。在我国北方地区，由于地热采暖不仅可节省煤炭的运输、占地，还可减少大量有害物质的排放，避免大气污染，能有效替代常规能源，近年来，利用中低温地热能源供暖的规模不断增长，主要以传统水热型地热资源供暖的方式，年均增速23%。全国地热采暖总面积近2000万m2，仅天津市就独占了940万m2，占全市采暖总面积的15%。2013年，国家能源局、财政部、国土资源部和住建部等四部门联合发布《促进地热能开发利用的指导意见》，明确提出，到2015年，全国地热供暖面积达到5亿平方米。如何更加合理地利用地热能源使其产生更大的经济效益，是我国地热利用研究领域提出的前瞻性课题。地热供暖作为一种清洁可再生的供暖方式，也逐渐受到学者和科研机构的广泛关注。但目前国内外研究主要集中在地热能的开采利用技术探讨、开发利用现状研究、经济效益分析和政策建议等方面，对地热供暖的技术经济评价研究较少。基于此，需要借鉴技术经济评价理论已有的研究成果，构建地热供暖相应的技术经济评价模型及指标体系，来评价地热供暖的经济性及项目可行性，为科学决策提供依据。

二、文献综述

技术经济评价起源于英、美、法等西方工业发达国家。传统的项目经济评价是以成本效益分析为核心，建立NPV、IRR、NPVR、B/C 等指标。近四十年来，项目经济评价理论逐步从单纯的技术分析和财务评价向技术、财务、经济、环境、社会综合评价转变，提高了投资项目系统分析的理论质量。我国项目经济评价主要参考《建设项目经济评价方法与参数》（第三版），选取净现值、内部收益率、投资回收期等指标作为主要的评价指标，目前也是投资项目财务评价中应用最广泛的评价指标。近些年来，国内学者对建设项目经济评价的研究多在主要评价指标和参数的确定和方法的改进上。李春梅、许爱青、王奕清等强调项目经济的综合评价，提出应将环境效益和社会效益相关指标纳入经济评价构建综合评价体系。张学军、黄山建立了包括技术、经济、社会以及环境影响等因素的综合评价指标体系。这类评价方法是对项目经济可行性的基本测算方法，得到了学者们的广泛认可。此方法简单易行，计算结果能直接反映资金使用情况和投资预期，而且数据可获得性和可靠性较高，因此被广泛应用。随着工程技术的逐渐成熟，项目评价的方法也不断创新，从其他学科借鉴了丰富的定量研究方法。比如风险投资项目评价中借鉴金融期权和实物期权进行价值评估，再如综合评价方法中的德尔菲法、矩阵分析法、层次分析法（AHP）、主成分分析法、模糊综合评价法、灰色系统多层次评价方法、基于期权的多目标优化决策方法、数据包络（DEA）分析法等，已经在项目评价中得到不同程度的应用。这类方法的主要特点是，在一般性指标的基础上，更加贴合可再生能源项目的实际情况，并可以对政策、技术等因素进行量化，综合考虑可再生能源项目的综合效益。然而，由于各学者所选取的模型、指标有所差异，评价的侧重点各有不能，目前并没有一套放之四海而皆准的综合评价体系，应用的范围有所局限。国外地热经济评价研究工作已初具规模。Oliver David（2008）在研究家庭和社区规模能源系统的基础上，详细说明了使用可再生能源技术，包括地源热泵，风力涡轮机，太阳能光伏板，太阳能热式热水器的几类评价方法，并在此基础上建立了可再生能源技术的经济评价方法。Blum Philip（2010）在《德国地源热泵系统的技术经济分析》中，通过分析1100多个独立的地源热泵系统，相较于其他国家，如美国，奥地利，挪威，英国，瑞典，地源热泵系统的资本成本较高的是德国和瑞士。研究结果同样表明，地源热泵系统的经济效益只有在系统得到一定规模的情况下才能体现出来。得出地热系统的经济效益只有在一定规模下才能体现。马建中对比了北京某小区内地热与燃气供暖方案，从投资运营费用角度得出地热供暖经济可行结论。陈少玲认为不成熟的地热供暖项目设计会影响节能减排效果。朱家玲，张凤山认为，地热供暖需进一步提升节能潜力。林黎等全面分析天津地热资源开发利用模式，指出必须走回灌开发的可持续道路。随着技术的不断进步和工程应用范围的扩大，我国北方地区地热供暖市场份额快速增长。相比之下，对于地热供暖项目的技术经济评价研究相对抽象。现有的经济评价体系，不能很好的概括地热项目在环境效益方面的独特贡献。因此，在现有经济评价成果的基础上，结合地热供暖项目的特征，构建地热供暖项目技术经济评价体系，为推广地热能源应用提供参考依据。

三、评价方法与模型构建

（一）常规技术经济评价 经济性评价的指标是多种多样的，它们从不同角度反映工程技术方案的经济性，按是否考虑时间价值可以分为动态指标和静态指标。考察项目盈利能力的静态指标有静态投资回收期（Pt）和投资利润率（ROI），动态指标有动态投资回收期（PT）、财务净现值（NPV）和财务内部收益率（IRR）。净现值通过计算折现现金流主要考察地热供暖项目计算期内的盈利能力；财务内部收益率假设净现值为零，参考地热供暖行业基准收益率描述项目获利水平；动态投资回收期考虑了资金的时间价值，反映投资回收的年限；总投资收益率是地热项目每年创造的净收益额最直接表达。地热技术经济评价的参数估算包括直接费用估算和直接效益估算。直接费用为投资、生产成本和费用及税金，直接效益为供暖费用收入、补贴收入和CDM收入。水热型地热供暖工程初始投资涉及到地热井勘探钻井费用、地热井提升及回灌设施、调峰锅炉房、热网、热力站、室内管道及散热末端等。其中，初始投资与总供暖面积成正比，因为地热井数量、换热站规模、铺设的管道和终端设备费取决于供暖面积，如图（1）所示。

（1）在地热供暖系统设计的初期阶段，应按照建筑物的设计供暖、供冷负荷的要求，对地热资源进行勘探和资源评价，为地热供暖项目的可行性评估和地热供暖工程设计提供依据。结合实际，地热勘察资源评价一般采取外包服务模式，费用算在固定资产其他费用当中。（2）根据地热井的打井深度、数量及打井单位深度综合造价指标，地热井的初投资公式为Ktp=mPelktp。其中m为地热井数量；ktp为地热井单位掘进深度勘探钻井综合费用，其值受地理位置和地质条件等因素影响；Pel为地热井钻井深度。（3）在地热供暖系统中，换热站的投资主要包括换热站厂房建设费、地热供暖设备和地热调峰设备的购置、安装及调试费，如果室外温度较低，为了达到要求的供暖热负荷，则需要增加调峰设备。Kms=λcf+ωgs+ξtf。其中，Kms为换热站投资总额；λcf为厂房建设费；ωgs为换热站设备购置费；ξtf为调峰设备购置费。（4）项目运行费用主要包括地热资源费、电费、水费、折旧、燃料费、人工费、维修费、其他费用（排污费、管理费、税金等）。地热资源费，一般开采地热资源的单位须依法缴纳地热资源补偿费和水资源费。根据实地调研结果，各省市及地方政府对地热发展的政策不同，收取的费用也不同。（5）水费主要指自来水水费，自来水消耗量是采暖系统循环水的补充水形成的。自来水费=（循环水量×换水次数+补水量×运行时间）×水价。（6）对于采用锅炉调峰的地热供暖系统，其系统年运行燃料费计算公式为Krl=ζhm×ηjg。其中，Krl为燃料费；ζhm为年耗煤/天然气量（t）；ηjg为燃料价格（元/t）。（6）营业收入一般包括暖费收入和售水收入，暖费收入按供暖面积和当地的暖费价格征收，售水收入按热水供应的时间和当地的供水价格征收，其计算公式为Rs（t）=q（t）×Pw+Py×th。其中Rs（t）为第t年暖费收入；q（t）为地热供暖期第t年的供暖面积；Pw为暖费价格；Py为热水价格（按小时计算）；th为热水供应时间。（7）贴费收入的估算公式为Rb（t）=q（t）×rb。其中，Rb（t）为第t年地热补贴收入；q（t）为地热供暖期第t年的新增供暖面积（一次性）；rb为地热供暖补贴费率。（8）CDM收入是按照项目预计核准的减排量单位，以每单位10欧元，按当期汇率折算。

（二）综合技术经济评价 前文文献综述中介绍了多种综合评价方法，根据地热项目的特性，本文选取模糊综合评价方法中的突变级数法对地热供暖综合效益进行评价。突变级数法是一种对评价目标进行多层次矛盾分解，然后利用突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数，再由归一公式进行综合量化运算，最后归一为一个参数，即求出总的隶属函数，从而对评价目标进行排序分析的一种综合评价方法。根据已有文献关于新能源综合效益评价的研究，选取以下评价指标评价地热供暖系统综合效益，详见表（1）。地热供暖项目不仅能够取得经济效益，更具有良好的环境效益和能源降耗效益，在减少CO2排放的同时，也减少如粉尘、二氧化硫等大气污染，改善了环境质量，对生态也产生了直接的经济影响。因此，对地热项目仅仅只评价经济效益是远远不够的，要综合其环境效益、能源降耗效益及社会效益，进行综合评价，以全面认知地热供暖的总效益。该方法的特点是没有对指标采用权重，但它考虑了各评价指标的相对重要性，从而减少了主观性又不失科学性、合理性，而且计算简易准确，其应用范围广泛。

四、案例分析

（一）案例简介 河北雄县位于华北平原地热资源条件优越的牛驼镇，近年来大力开发地热资源，取得了非常显著的成效。某地热供暖工程项目拟建设地热站14座，并进行相应的热力管网建设。共设置地热井48眼（包括开采井27眼，回灌井21眼）。项目总供暖面积217.6万平方米，总热负荷为101.01MW。建设期为3年，运营期为12年。项目计划总投资21940万元，其中建设投资21840万元（建筑工程费13921万元，设备购置与安装费5508万元，其他费用845万元，基本预备费1555万元）。陕西咸阳是传统的地热开发区域，地热开发利用已形成一定规模。某工程项目计划新增2座地热站，增设四眼地热井（回灌井1眼），新增供暖能力126万平米。建设期为1年，运营期为10年。项目计划投资9979万元（其中工程费9185.27万元，工艺系统4763万元，包括设备购置费3866万元、建筑工程费513.42万元和设备安装费383.58万元）。上述两个工程在地域上、技术上分别代表了我国北方地区地热供暖工程投资的两种典型类型。对案例进行综合研究，为地热供暖新投资项目科学决策提供了参考。

（二）案例解析 供暖项目的收入主要包括暖费收入、售水收入、贴费收入和CDM收入。雄县新建项目拟建供暖面积为217.6万平方米，建设期为三年，每年分别新增供暖面积48.1万平方米、79.3万平方米、90.2万平方米，年暖费收入按每年采暖4个月计算，居民供暖收费标准为每采暖季16元/平方米。新建工程的贴费收入收费标准为30元/平方米。成本费用上，该工程项目主要消耗的燃料动力为电和天然气，当地电费为0.8元/度，天然气1.95元/升。共设定工作人员120人，每月按1500元的标准估算年工资，福利费按工资的30%计提。根据现行会计准则和相关制度，固定资产按直线法计提折旧，其净残值率为3%，折旧年限为16年。咸阳增建项目贴费收入收费标准为40元/m2，共94×104m2，收入3384万元；旧建筑贴费收入收费标准为25元/m2，共32×104m2，收入720万元。新建筑和旧建筑总计126×104m2，共收取贴费4104万元，建设期全部收回。取暖费按每年采暖4个月计算，收费标准为每采暖季15.80元/m2，考虑空置因素，建设期按2个月计算，收入896万元；评价期按每年4个月计算，年收入1792万元。收营业税税率3%，水利建设基金按0.8%征收，缴纳营业税55万元；资源税按0.5元/吨收取，预测年缴纳69万元；矿产资源补偿费按0.6元/吨收取，预测年费用83万元。每站配备5人，两站共10人，每人1200-1500元/月；预计用水量2.04万m3，单价 2.5元/m3；预计用电量121万度，单价0.7元/度；维护费3万元/站.年；预计使用天然气33.6万m3，单价1.95元/ m3；其他费用为1.4万元/年。两个工程的经济效益计算结果如表（2）所示。从经济指标可以明显看出，地热供暖工程具有突出的经济效益。计算过程中，甲、乙工程的营业净利润都为正数，稳定运行10年后，净现值结果较为乐观。比较内部收益率，两项工程的内部收益率略有差异，但都高于行业的基准收益率12%。从初步计算结果，可以更加直观的看出，地热供暖项目的投资回收期较长，前期投资成本较高，与传统能源供暖相比，建设期风险高是地热供暖项目建设的瓶颈。而其突出的环境效益和节能降耗潜力并不能在传统经济评价中得到体现。对于项目的整体效益和长远利益估计不足，导致在决策是缺乏全面可靠的依据。

（三）综合评价 与传统能源供暖项目相比，地热供暖供暖工程的环境效益和节能降耗效果突出。本文根据地热供暖技术指标结合自热特征，选取节能减排成本费用、CDM收入、年均减排成本费用收入比和气体减排总量四个指标描述项目的环境效益。通过年节约耗煤量、节能减排投资降耗率、单位工业增加值降耗和单位工业增加值耗水量描述能源降耗指标。计算结果如表（3）所示。由于项目的规模和资源禀赋、改建类型不同，上述评价指标只能反映项目自身的经济、环境和节能效益，并不具备相互之间比较的条件。利用突变级数归一公式采用“大中取小”原则，对各工程的控制指标计算出的对应的X值（即突变级数值）；但对存在互补性的指标，通常用其平均数代替，在对象的最后比较时要用“小中取大”原则，即对评价对象按总评价指标的得分大小排序。由此可以看出，对各级指标指数的确定，实际上是对其下一级指标指数（或数值）进行综合排序的结果。逐级分解各因素的影响大小，减少了由于地热供暖项目由于在地质条件、规模、技术等方面存在的差异，从而对比较结果造成误差。根据归一化的评价指标，可以比较得出甲工程的综合效益略高于乙工程表（4）。从经济指标来看，甲工程较优，为0.9068；从环境效益来看，甲工程环境效益指标0.7478却低于乙工程的环境效益指标0.7776，这说明在经济上投入的加大影响了部分项目的部分经济效益，却可以从减排降耗得到的效益中得到弥补，最后的综合效益并没有明显降低。能源降耗指标来看，甲工程的能耗远低于乙工程。虽然乙工程规模远远小于甲工程，但由于改扩建的约束条件更多，施工过程中消耗的其他能源抵减了地热能运营发挥的部分降耗功能。这也说明，地热能工程规模化效果越好，综合效益越高。

（四）讨论与分析 首先，先对突变模型建立之前传统经济评价指标进行分析。在雄县的案例中，净现值为2438.72万元，远大于零；内部收益率为16.08%，也远大于行业内部收益率12%。这些都能客观直接地说明该地热能区域供暖项目在经济上是完全可行的。而在咸阳的案例中，净现值为520万元，远大于零；内部收益率为14.5%，也远大于行业内部收益率12%。突变模型建立之后，雄县和咸阳的案例计算总指标都在0.8以上，雄县总指标相对较高，说明该项目的经济、社会、减排降耗的综合效益较高。从经济指标来看，雄县最优，为0.9068，要高于其他地方的经济评价指标；从环境效益来看，雄县环境效益指标0.7478却低于咸阳的环境效益指标0.7776，这说明在经济上投入的加大影响了部分项目的部分经济效益，却可以从减排降耗得到的效益中得到弥补，最后的综合效益并没有明显降低。从案例分析的过程和结果可以看出，运用突变理论对地热区域供暖项目进行综合的经济评价，不仅数据较易获得、方法简单易行，更重要的是评价结果一目了然，便于分析，并不失公平准确。 这种传统经济评价与节能减排相结合、货币性与非货币性相结合的方法，不仅操作简单便捷，而且结果也十分直接客观。更值得一提的是，通过突变级数法模型的建立，不仅能在脱离人为权重设定的基础上，就能综合评价项目的整体经济效益，而且可以实现两个或多个地热能区域供暖项目的优劣比选，通过从三级指标到一级指标的各级比选，可以全面分析导致每个项目经济效益差距的原因或者不同子指标之间相互弥补、相互贡献的关系。通过两个地热能区域供暖项目的综合经济评价，可以看出，采用地热能代替传统锅炉集中供暖不仅在经济上可行，更拥有强大的社会和环境效益，是值得大力提倡和推广的项目。在不同的地热供暖项目之间，以规划有序的新建工程更具有投资价值。地热资源具有明显的地域性，因此，更加集约使用地热能源，提高能源使用效率，是促进地热供暖项目经济效益、环境效益、节能效益提升的有效路径。

五、结论

本文结合地热资源及地热工程项目的特性，运用技术经济评价领域相关的理论与方法，构建了我国水热型地热资源区域供暖的技术经济评价方法及指标体系，以便于了解地热项目自身的经济性及与其他区域地热项目经济性的差异。本文构建的方法体系中的逻辑思路为：首先基于成本效益分析模型计算出动态投资回收期、净现值和内部报酬率等动态评价指标值，以此来判断项目的可行性；其次，基于突变级数法，对地热项目的经济效益和节能减排效益进行综合评价，以此来更全面、科学的认识地热的经济性和开发利用价值。具体的供暖工程案例研究结果表明，单一的财务评价并不能完整的反映地热供暖项目的投资价值。地热供暖综合效益突出的工程往往是具有可持续发展规划并且经营稳定等特征。在实际工程应用中，往往由于施工规范不到位而造成潜在的风险，或因排放较高温度的地热尾水造成轻微热污染、水体富营养化等环境问题，影响了地热供暖项目的整体效益。过数年的快速发展，我国地热资源直接利用已出具规模。尤其是地热供暖工程技术的进步，推动了各地新建地热供暖工程的总量增加。我国发展地热的势头良好。总体来看，我国地热供暖工程种类多样，资源禀赋各异，大小规模不同，各有盈亏。地热供暖呈现出明显的规模经济效应，投资回收期长。并且，出水温度的高低，供暖方式的选择都影响了盈利大小。本文希望通过更多具体项目的评价，来验证这些方法在地热开发利用经济性分析方面的实用性，并通过实践的检验进行进一步完善。在以后的研究中，还可以着手建立中国地热资源利用数据库，探索中国地热资源开发利用的经济道路

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（编辑 梁 恒）

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