上海规划新城浅层地热能潜力与经济环境效益分析

  浅层地热能属低温地热资源，主要通过地源热泵技术用于建筑物的制?冷和供暖，随着我国建筑节能和可再生能源建筑应用需求日益增强，其开发利用越来越受到重视。

 

  浅层地热能的开发利用对构建资源节约和环境友好型社会、促进国家节能减排战略目标的实现具有重要意义。

 

  浅层地热能调查评价是其可持续开发利用的基础，2010年以来我国相继开展了各省会城市浅层地热能区域调查评价工作，取得较多成果，有力推进了浅层地热能的开发利用工作。浅层地热能开发利用受资源赋存条件、换热器的设置条件、建筑物制冷供暖的需求特征等综合影响，而区域调查评价侧重于资源赋存条件，针对特定地区的换热器设置、建筑物制冷供暖的需求特征略显不足。本文以上海市规划新城浅层地热能专项调查为例，根据规划区建筑物的性质和规划指标、浅层地热能资源赋存地质条件，对规划区浅层地热能开发利用条件进行分析研究，同时评价了规划区浅层地热能开发利用能资源开发利用潜力、经济和环境效益，希望为上海地区规划新城浅层地热能开发利用提供有益借鉴。

 

  1 浅层地热地质条件

 

  通过野外钻探、地温测试、热响应试验、室内土工试验等技术手段，查明了新江湾城地区浅层地热能地质条件、地温场及岩土体热物参数分布特征。

 

  150m以浅地层主要由黏性土、粉性土及砂性土组成，地质时代分属全新世、晚更新世、中更新世、早更新世。

 

  全新世土层（Qh）共分为五层，土层序号为①~⑤层，一般厚度为22~30m，在古河道切割区厚达45m左右；晚更新世土层（Qp3）共分为四层，土层序号为⑥~⑨层，厚度一般为45~78m；中更新世（Qp2）分为两层，土层序号为⑩~⑾层，仅部分钻孔钻穿。

 

  恒温带层底埋深10~23m，温度为17.40~19.56℃；增温带增温率为1.93~3.32℃/100m。0~100m深度内原始地温平均温度为18.58~19.67℃，0~150m平均温度为19.46~20.13℃[7,8]。

 

  100m深度范围岩土体综合导热系数为1.88~1.95W/(m?K)，体积比热容为3.67×106~3.89×106J/m3?℃，热扩散系数为0.510~0.557mm2/s；150m深度范围岩土体综合导热系数为1.89~1.95W/(m?K)，体积比热容为3.60×106~3.64×106J/m3?℃热扩散系数为0.52~0.54mm2/s。

 

  2 浅层地热能开发利用条件分析

 

  根据浅层地热能地质条件，结合新江湾城建筑物规划的相关指标，分析建筑物对浅层地热能资源的需求特性，以规划建筑资源利用占用率、向地下岩土体累计排吸热量不平衡率、地源热泵系统运行时间为评价指标，采用层次分析法对新江湾城浅层地热能开发利用适用性进行评价。

 

  2.1 建筑物对浅层地热能的需求特性

 

  根据新江湾城详细控制规划，建筑主要以居住建筑、公共建筑为主；居住建筑以多层、高层住宅为主，公共建筑则以办公、商业、学校等为主。

 

  浅层地热能的需求特性采用不同类型建筑物向地下岩土体全年累计的排、吸热量的特性进行表征。根据上海地区不同类型建筑物的冷热负荷指标和空调系统运行的特征，采用温频法估算不同建筑物全年累计冷热负荷；再根据上海地区地埋管地源热泵系统夏季制冷、冬季供暖的性能系数的统计值，估算不同建筑物向地下岩土体累计的排吸热量和两者的平衡率。

 

  除学校类建筑向地下岩土体全年累计排热量小于吸热量外，其它类建筑向岩土体全年累计排热量均大于吸热量；各类建筑向地下岩土体全年累计排热量、吸热量均达不到平衡，学校、高层住宅类建筑不平衡率相对较小，商业类建筑不平衡率相对较大。当全年累计排热量、吸热量不平衡时，针对上海地区的气候特点，通常以冬季热负荷为计算标准，夏季不足部分由冷却塔或地表水地源热泵等其它方式承担。

 

  2.2 规划建筑物开发利用浅层地热能适用性分析采用层次分析法建立两两比较矩阵，计算浅层地热能资源利用占用率、向地下岩土体累计排吸热量不平衡率、地源热泵系统运行时间3个评价指标的权重，并对不同类型建筑物指标以1~5个标度进行赋值，计算各类建筑物综合判别指标，对建筑物利用浅层地热能适用性等级做出判断.

 

  根据上表结果，对新江湾城浅层地热能建筑利用适用性作出如下分析：

 

  多层住宅、学校类建筑利用浅层地热能适用性等级为一级，利用效益最好。可通过规划明确、财政补贴等措施，优先开发利用；高层住宅、机关办公、教育科研类建筑利用浅层地热能适用性为二级，浅层地热能资源能满足建筑物大部分冷热源的需求，效益相对较好，但需采用其它辅助冷热源进行补充，系统相对较复杂。可从规划建议、财政补贴等措施，推荐开发利用。

 

  商务办公、商业建筑类分布地区地热能开发利用适用性为三级，浅层地热能资源能仅能满足建筑物小部分冷热源的需求，不满足条件的建筑不宜开采利用。

 

  3 浅层地热能资源开发利用潜力分析

 

  根据浅层地热能地质条件，计算浅层岩土热容量和适宜温差条件下的资源静态储量；选用地下换热器设计经验参数，计算单孔换热功率；根据规划建筑物规划控制指标、建筑冷热负荷特点，计算浅层地热能可供建筑供暖、制冷建筑面积，以此评估浅层地热能资源开采潜力。

 

  3.1 浅层地热能的静态储量

 

  （1）浅层地热单位热容量

 

  浅层岩土体热容量是指单位面积、单位温差条件下的浅层岩土体、地下水中储藏的热量。根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009），采用热储体积法计算单位面积浅层地热容量.