游京1,2,3，王小清1,2,3，才文韬1,2,3
（1. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072；2. 上海浅层地热能发展研究中心，上海 200072；
3. 上海浅层地热能工程技术研究中心，上海 200072）
摘 要：根据上海市崇明区浅层地热能的赋存条件及分布特征，对该区浅层地热能资源量潜力作了估算，并从经济效益与环境效益进行开发利用评价。结果表明：上海市崇明区150m以浅岩土体浅层地热容量总计约为1.05×1014kJ/℃；取可利用温差为5℃时，浅层地热能静态储量合计约为5.24×1014kJ；在不考虑土地利用系数的情况下，上海市崇明区地埋管换热方式夏季制冷工况平均资源潜力为571848m2/km2，冬季供暖工况平均资源潜力为1019066m2/km2。从经济效益角度评价，上海市崇明区各类建筑以地埋管换热方式进行冬季供暖平均每平米每年可节约2.19kg标准煤，夏季制冷平均每平米每年可节约2.20kg标准煤，换算成直接经济效益各建筑类型在单位面积每年可节约费用9.38~28.11元。从环境效益角度评价，崇明区各类建筑单位建筑面积年平均减排二氧化碳10.82kg、二氧化硫0.09kg、粉尘0.04kg。 关键词：浅层地热能；资源量潜力；开发利用评价
中图分类号：P314 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2020)04-0088-05
崇明区位于上海北部、长江入海口，全区地势平坦，陆域面积1413km2，包括崇明岛、长兴岛和横沙岛，崇明岛是世界上最大的河口冲击岛，上海重要的生态屏障，对长三角、长江流域乃至全国的生态环境和生态安全具有重要的意义[1]。在《崇明世界级生态岛发展“十三五”规划》中，崇明将被建成21世纪实现更高水平、更高质量绿发展的重要示范基地，具备生态环境和谐优美、资源集约节约利用、经济社会协调可持续发展等综合性特点的世界级生态岛。崇明区开发与利用当地浅层地热能资源是一种因地制宜、高效节能又环保的能源利用项目，可以很大程度上的缓解能源上的需求压力，提高环境质量，对绿生态城镇的发展有着引领示范作用。
在大规模开发浅层地热能之前，应当对崇明区域内进行较为详细的浅层地热能资源量及开发利用潜力评价，避免盲目开发浅层地热能资源所造成的经济损失、环境破坏以及空间浪费，例如：地下水流失、地面沉降、地下空间破坏以及冷热平衡失调等问题，影响浅层地热能资源的可持续开发利用。所以，对工作区开展浅层地热能资源量及开发潜力评价，制定科学的开发规划，对实现浅层地热能的可持续开发利用有着十分重要的意义[2]。
1 浅层地热能资源赋存条件
1.1 松散堆积地层的空间分布特征
工作区无裸露基岩，表层覆盖着较厚的第四系土层以及较薄的新近系土层，主要是由黏土、粉质黏土、粉土及砂层所组成的多层结构松散堆积物，为地下水的赋存创造了有利的场所。
松散地层厚度变化大，基岩面起伏较大，一般为280~480m之间，空间分布特征大致为中间薄，两端厚，西北与东南方较厚；长兴岛土层厚度则由西北向东北逐渐变厚，平均厚度为340m左右。横沙岛土层厚度变化较小，平均厚度为400m左右。通常以地埋管换热方式的换热井，井深一般在100m以内，并且在通常情况下较厚的粉、砂层能使地源热泵系统地下换热管保持较高的换热效率。根据研究区大量岩土工程勘察数据整理研究发现，崇明区100m以浅的粉性土与砂性土层厚度分布不均，起伏较大（图1），最大值出现在建设镇附近为81.30m，最小值出现在城桥镇附近为23.30m，全区平均值为54.57m。在城桥镇东部、港西镇、建设镇、东平镇、庙镇、中兴镇、向化镇、长兴镇以及横沙乡都有着较厚的粉、砂层（平均厚度在60m以上），有着较好的地层条件，可以较好的传导浅层地热能。
1.2 浅层地温场特征
浅层地温场的垂向分布特征受当地气候、地层结构、地层岩性、水文地质条件、第四纪覆盖层厚度、地质构造等多方面因素影响，通常可分为变温层、恒温层、增温层。
“上海市浅层地热能资源评价与可持续利用能资源调查评价及开发利用导则
doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2020.04.017
变温层的温度主要来自太阳的辐射热能，它随纬度的高低、海陆分布、季节、昼夜、植被的变化而不同。通过野外勘察数据整理研究发现，工作区变温层底部变化范围较大一般在10.0~26.0m ，平均深度16.7m ，略深于上海市全区域调查平均值13.3m 。
崇明区恒温层底部埋深绝大部分地区小于28.0m ，平均深度约为25.2m ，恒温层温度一般在17.6~18.5℃，平均值17.9℃，与上海市全区域恒温层平均温度17.9℃相等。
在恒温层以下，为工作区的增温层，工作区100m 以浅增温层的增温率为一般在2.45~3.05℃范围内，最小值出现在东平镇，为2.25℃/100m 。调查区增温率平均值为2.77℃/100m ，低于上海市全域平均值3.03℃/100m 。全区120m 以浅的增温层平均温度范围为18.19~19.87℃，在崇明区内东平镇、东平镇（前哨）及陈家镇地区温度较高，通过调查发现该现象主要是受地层结构以及含水层的分布有关。
2 浅层地热能静态储量评价
2.1 评价原则
根据工作区的浅层地热能地质条件，按照《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）、《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366-2005）等规范和技术要求计算浅层岩土体热容量，估算在适宜温差条件下的资源静态储量[3]。2.2 储量计算
（1）计算方法
根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225-2009），采用热储体积法计算单位面积浅层地热容量，计算公式如下：
Q R = ρ0 C 0 d （1）
式中：Q R ——单位面积浅层岩土体热容量，
kJ/（m 2·℃）；ρ0 ——岩土体天然密度，kg/m 3；
C 0 ——岩土体天然比热容，kJ/(kg·℃)；d ——岩土体计算厚度，m 。
首先根据单孔地层室内热物性参数，分别计算单孔不同深度范围内与场地不同深度范围内ρ0 C 0的平均值，然后计算场地单位面积不同深度的热容量。
根据调查孔及场地不同深度内岩土体ρ0 C 0的平均值，再乘以计算厚度，得出调查区不同场地单位面积浅层岩土体热容量，崇明生态岛地区150m 以浅岩土体单位面积热容量为395700 kJ/(m 2·℃)，详见表1。
表1 场地单位面积不同深度的热容量计算表
Table 1 Heat capacity calculation table of different depths per unit area
12026853222001502638
395700
随后计算浅层地热能静态储藏量是指浅层岩土体、地下水中储藏的可利用温差条件下可吸收（或释放）的热量。
根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225-2009），采用热储体积法计算单位面积浅层地热容量，计算公式如下：
Q =Q R • Δt • M （2）
式中：Q ——浅层地热能静态储量，kJ ；
Q R ——单位面积浅层岩土体热容量，kJ/（m 2·℃）；Δt ——可利用温差，℃；M ——计算面积，m 2。（2）计算参数的确定
ΔT 的确定：根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）（2009版）中相关规定，竖直地埋管换热器内循环液体的出口温度应大于原始平均地温5℃以上，根据上文分析崇明生态岛地区夏季制冷时地埋管换热器循环液体的平均温度宜小于38.54℃，冬天供暖时地埋管换热器循环液体的平均温度宜大于7.33℃，崇明生态岛恒温层至100m 平均温度约为18.91℃，因此，可利用温差ΔT 最大不超过11℃，本次估算采用5℃进行计算。
计算面积M ：面积M 采用城镇建设用地进行计算，根据《上海市崇明区总体规划暨土地利用总体规划（2017-2035）》，崇明生态岛城镇建设用地面积约265km 2。
（3）计算结果
经计算，调查区150m 以浅岩土体浅层地热容量总计约为1.05×1014kJ/℃；取可利用温差为5℃时，浅层地热能静态储量合计约为5.24×1014kJ ，折合1788.06万吨标准煤完全燃烧所释放的热量[4]。崇明生态岛地区热容量及静态储量详见表2。
3 地埋管换热方式浅层地热能资源潜力
3.1 评价原则
采用单位已埋设地埋管平面面积可为多少建筑面积提
图1 崇明区100m 以浅粉性土与砂性土层厚度
Fig.1 Thickness of shallow powder and sand layer below 100m
in Chongming district
供供暖或制冷需求来表示资源潜力。利用工作区地埋管换热方式冬、夏季换热功率，测算不同建筑物冷热负荷下的资源潜力，进行开发利用资源潜力评价[5]。3.2 潜力计算
（1）单孔换热功率
根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366-2005）（2009版）中地埋管换热器换热功率计算公式，考虑上海地区换热管多常用单U32，换热器设置深度120m ，循环水流速0.6 m/s ，夏季工况出水温度为35.0℃、冬季工况进水温度为6.0℃，回填材料导热系数为1.90W/(m•K)[6]，计算得崇明生态岛夏季、冬季单孔换热功率，相关数据见统计表3。
表3 崇明区夏季与冬季单孔换热功率统计表
Table 3 Single-hole heat transfer power statistics in summer and winter
冬季
5.69
3.67
4.86
0.56
0.11
（2）区域换热功率计算
区域换热功率采用如下的公式进行计算
（3）
式中：
q 区域换热功率 ——区域排或吸热功率，kW ；q 单孔换热功率 ——单孔排或吸热功率，kW ；
S 建设用地 ——工作区规划建设用地面积，km 2（采用崇明生态岛城镇建设用地面积进行计算）；
Ψ ——可供埋管面积系数，为计算方便根据规划区各类用地建筑密度计算的可供埋管面积率，取各类规划地块建筑占地面积外的0.7进行加权平均，为0.469；
d ——换热孔间距，m ，根据上海地区的工程经验取5.0[7]
；
γ ——形状折减系数，根据地区经验取0.75。
按照公式及相关计算参数，对区域换热功率进行计算，计算结果见表4。
表4 区域换热功率计算一览表
夏季排热22.24冬季吸热
13.70
（3）资源潜力计算计算参数：
夏季制冷资源潜力：
（4）
冬季制热资源潜力：
（5）
式中：
D zq ——地埋管地源热泵系统资源潜力，m 2/km 2；D q ——地埋管地源热泵系统区域换热功率，kW ；M ——地埋管地源热泵系统计算面积，km 2；q ——冬季供暖、夏季制冷负荷，W/m 2；EER ——地源热泵机组的制冷性能系数；COP ——地源热泵机组的供热性能系数。
对全国、夏热冬冷地区以及上海地区地埋管地源热泵项目系统性能进行统计，结果如表5所示；上海地区的机组供冷性能系数平均值为4.7，供热性能系数为3.94[7]。
根据《实用供热空调设计手册》，各类建筑的单位建筑面积冷热负荷指标见表6。
表5 地源热泵项目性能测试统计表
全国供热 3.07～5.58 3.7
2.28～4.88 2.8
夏热冬冷地区供冷/// 3.34供热/// 3.09上海地区
供冷 3.60～6.10 4.70 3.03～3.96 3.49供热
3.20～5.00 3.94
2.8～
3.0 3.0
表6 规划建筑负荷指标一览表
2高层住宅80583商务/机关办公
130804学校120705
商业
220
75
资源潜力计算结果：
计算结果不考虑土地利用系数，各建筑类型制冷、供暖工况的资源潜力见表7。综合上海地区各建筑物所占比例，按公建60%、民建40%计算负荷，得到建筑物空调夏季制冷平均负荷为121W/m 2，冬季供暖平均负荷为68W/m 2。崇明区地埋管换热方式夏季制冷工况平均资源潜力为571848m 2/km 2，冬季供暖工况平均资源潜力为1019066m 2/km 2。
表7 不同建筑类型资源潜力一览表
高层住宅80588649201194767商务/机关13080532259866206学校12070576613989950商业建筑22075314516923953平均负荷
121
68
571848
1019066
表2 浅层地热能静态储量计算表
265512032220085.38426.92150395700104.86524.30
4 地埋管换热系统浅层地热能开发利用效益评价
浅层地热能是一种低品位的热能资源，通过地源热泵技术得以开发利用，开发利用效益是通过地源热泵系统与常规空调系统+燃气锅炉进行比较计算出节能量，从而对浅层地热能开发利用的效益进行评价。4.1 经济效益评价
（1）夏季制冷节能量
通过与常规冷水机组进行节能比较，当制冷量1kW ·h 时，
节能量可采用下式进行计算：
（6）
式中：
ER C ——夏季制冷节能量；
m gce ——发电耗煤量，上海地区常用值每度电折合所耗标煤量0.3kg 标煤/1kW·h ；
COP r ——地源热泵制冷能效系数，可按表3取值，为计算方便取平均值3.49；
COP c ——常规冷水机组能效系数，根据《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ08-2162-2015）取值，为计算方便取平均值2.56[8]。
按照公式6和相关参数进行计算，当制冷量为1kW ·h 时，地源热泵系统节能量为31.2g 标准煤。
（2）冬季供暖节能量计算
采用地源热泵系统冬季供暖与燃气锅炉进行比较，首先将地源热泵系统冬季供暖时耗电量折算成标煤消耗量，然后计算燃气锅提供相同热量的标煤消耗量，两者差值即为节能量。当供暖量1kW·h 时，可采用下式进行地源热泵
系统节能量的计算。
（7）
式中：
ER h ——冬季供暖节能量，gec ；
P ——燃气锅炉效率，上海地区常用值取燃气锅炉效率为90%；
E gce ——标煤的热量值，根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2008）取29307kJ/kg ；
m gce ——发电耗煤量，上海地区常用值每度电折合所耗标煤量为0.3kg 标煤/1kW·h ；
COP h ——地源热泵供暖时能效系数，为计算方便取平均值3.0。
按照公式和相关参数进行计算，当供暖1kW·h 时，地源热泵系统冬季供暖节能量ER h 为36.5g 标准煤。
（3）单位建筑面积全年累计节能量
根据各类建筑单位面积全年累计负荷，考虑到地下岩土体排、吸热平衡，采用热负荷计算建筑物单位面积累计
节能量，各类建筑冬季供暖平均每平米每年可节约2.19kg 标准煤，夏季制冷平均每平米每年可节约2.20kg 标准煤[9]。计算结果见表8。
表8 单位建筑面积全年累计节能量
2社区公共服务36.4 1.3348.5 1.513基础教育36.4 1.3348.5 1.514商业服务81.3 2.97158.9 4.965医疗卫生149.2 5.4498.5 3.086
行政办公41.6 1.5252.6 1.647商务办公41.6 1.5252.6 1.648科研设计41.6 1.5252.6 1.649
教育科研41.6 1.5252.6 1.64平均值
59.9
2.19
70.31
2.20
（4）直接经济效益
采用热量等价值进行换算，1kg 标煤约为3.0kW·h 电的热值。电价取1.1元/kW·h ，各建筑类型在单位面积每年可节约费用9.38~28.11元，详见表9。
表9 可供建筑面积年节约费用
2社区公共服务36.4 4.3848.5 5.003基础教育36.4 4.3848.5 5.004商业服务81.39.79158.916.375医疗卫生149.217.9698.510.156行政办公41.6 5.0152.6 5.427商务办公41.6 5.0152.6 5.428科研设计4
1.6 5.0152.6 5.429教育科研41.6 5.0152.6 5.42
平均值59.97.2270.37.25
综上所述，对比传统的（空调）制冷与（燃气锅炉）供暖的方式，利用浅层地热能进行制冷与供暖，每平方米每年分别可节约2.2kg 与2.19kg 的标准煤，换算成直接经济效益，各建筑类型在单位面积每年可节约费用9.38~28.11元，且由于地热能属于清洁能源，还能产生许多间接的经济效益，如减少建设后期的环境治理费用、增加地面上的可利用空间以及带动旅游产业的发展等等。4.2 环境效益评价
根据浅层地热能开发利用年节能量对环境效益进行评价，按照《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ 08-2162-2015）提供的计算方法分别计算二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量。
（1）二氧化碳减排量计算公式：
Q CO 2
= 2.47Q bm （8）
式中：Q CO 2
——二氧化碳减排量；Q bm ——标准煤节
约量，kg/年；2.47——标准煤的二氧化碳排放因子。
（2）二氧化硫减排量
计算公式：
Q SO
2
=0.02Q bm（9）
式中：Q SO
2
——二氧化硫减排量，kg/年；Q bm——标准煤节约量，kg /年；0.02——标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲。
（3）碳粉尘减排量
计算公式：
Q FC =0.01Q bm（10）式中：Q FC——粉尘减排量，kg /年；Q bm——标准煤节约量，kg /年；0.01——标准煤的碳粉尘排放因子，kg /年。
根据表8结果，按照公式8~10对二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量进行计算，各类建筑单位建筑面积年平均减排二氧化碳10.82kg，年平均减排二氧化硫0.09kg，年平均减排粉尘0.04kg，见表10。
表10 单位建筑面积年减排量估算表
2社区公共服务 2.847.020.060.03
3基础教育 2.847.020.060.03
4商业服务7.9319.580.160.08
5医疗卫生8.5221.040.170.09
6行政办公 3.167.810.060.03
7商务办公 3.167.810.060.03
地源热泵换热8科研设计 3.167.810.060.03
9教育科研 3.167.810.060.03平均值 4.3810.820.090.04
综上所述，上海市崇明区利用浅层地热能代替传统能源进行供暖与制冷，可以为各类建筑单位建筑面积年平均减排10.82kg的二氧化碳、0.09kg的二氧化硫以及0.04kg 的粉尘，有非常高的环境效益，节能减排的同时还是改善人们的生活环境。
5 结论
经计算，上海市崇明区150m以浅岩土体浅层地热容量总计约为1.05×1014kJ/℃；取可利用温差为5℃时，浅层地热能静态储量合计约为5.24×1014kJ，折合1788.06万吨标准煤完全燃烧所释放的热量。标准地埋管埋深120m以浅岩土体浅层地热容量总计约为8.54×1013kJ/℃；取可利用温差为5℃时，浅层地热能静态储量合计约为4.27×1014kJ，折合1464.91万吨标准煤完全燃烧所释放的热量。
在不考虑土地利用系数，按公建60%、民建40%计算负荷，换热器深度为120m的条件下，上海市崇明区地埋管换热方式夏季制冷工况平均资源潜力为571848m2/km2，冬季供暖工况平均资源潜力为1019066m2/km2。
从经济与环境效益角度分析，上海市崇明区各类建筑以地埋管换热方式进行冬季供暖平均每平方米每年可节约2.19kg标准煤，夏季制冷平均每平方米每年可节约2.20kg 标准煤，换算成直接经济效益各建筑类型在单位面积每年可节约费用9.38~28.11元，可实现各类建筑单位建筑面积年平均减排10.82kg的二氧化碳、0.09kg的二氧化硫以及0.04kg的粉尘，环境效益明显，并且可以带动许多附加经济效益以及社会效益，有着巨大的可开发利用价值，符合崇明区打造世界级生态岛绿生态城区的规划。
因此，本研究成果为上海市崇明区浅层地温能地源热泵的开发提供了重要的数据支持，同时也说明科学合理开发利用浅层地温能资源可大大减少常规能源的使用，改善生态环境，其经济、环境效益非常明显，科学开发利用浅层地温能具有十分重要的意义。
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