游 京，王小清，才文韜

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海淺層地熱能發(fā)展研究中心，上海 200072；3. 上海淺層地熱能工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

崇明區(qū)位于上海北部、長江入?？冢珔^(qū)地勢平坦，陸域面積1413km2，包括崇明島、長興島和橫沙島，崇明島是世界上最大的河口沖擊島，上海重要的生態(tài)屏障，對長三角、長江流域乃至全國的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)安全具有重要的意義[1]。在《崇明世界級生態(tài)島發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，崇明將被建成21世紀實現(xiàn)更高水平、更高質(zhì)量綠色發(fā)展的重要示范基地，具備生態(tài)環(huán)境和諧優(yōu)美、資源集約節(jié)約利用、經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展等綜合性特點的世界級生態(tài)島。崇明區(qū)開發(fā)與利用當?shù)販\層地熱能資源是一種因地制宜、高效節(jié)能又環(huán)保的能源利用項目，可以很大程度上的緩解能源上的需求壓力，提高環(huán)境質(zhì)量，對綠色生態(tài)城鎮(zhèn)的發(fā)展有著引領(lǐng)示范作用。

在大規(guī)模開發(fā)淺層地熱能之前，應(yīng)當對崇明區(qū)域內(nèi)進行較為詳細的淺層地熱能資源量及開發(fā)利用潛力評價，避免盲目開發(fā)淺層地熱能資源所造成的經(jīng)濟損失、環(huán)境破壞以及空間浪費，例如：地下水流失、地面沉降、地下空間破壞以及冷熱平衡失調(diào)等問題，影響淺層地熱能資源的可持續(xù)開發(fā)利用。所以，對工作區(qū)開展淺層地熱能資源量及開發(fā)潛力評價，制定科學的開發(fā)規(guī)劃，對實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用有著十分重要的意義[2]。

1 淺層地熱能資源賦存條件

1.1 松散堆積地層的空間分布特征

工作區(qū)無裸露基巖，表層覆蓋著較厚的第四系土層以及較薄的新近系土層，主要是由黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及砂層所組成的多層結(jié)構(gòu)松散堆積物，為地下水的賦存創(chuàng)造了有利的場所。

松散地層厚度變化大，基巖面起伏較大，一般為280～480m之間，空間分布特征大致為中間薄，兩端厚，西北與東南方較厚；長興島土層厚度則由西北向東北逐漸變厚，平均厚度為340m左右。橫沙島土層厚度變化較小，平均厚度為400m左右。通常以地埋管換熱方式的換熱井，井深一般在100m以內(nèi)，并且在通常情況下較厚的粉、砂層能使地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱管保持較高的換熱效率。根據(jù)研究區(qū)大量巖土工程勘察數(shù)據(jù)整理研究發(fā)現(xiàn)，崇明區(qū)100m以淺的粉性土與砂性土層厚度分布不均，起伏較大（圖1），最大值出現(xiàn)在建設(shè)鎮(zhèn)附近為81.30m，最小值出現(xiàn)在城橋鎮(zhèn)附近為23.30m，全區(qū)平均值為54.57m。在城橋鎮(zhèn)東部、港西鎮(zhèn)、建設(shè)鎮(zhèn)、東平鎮(zhèn)、廟鎮(zhèn)、中興鎮(zhèn)、向化鎮(zhèn)、長興鎮(zhèn)以及橫沙鄉(xiāng)都有著較厚的粉、砂層（平均厚度在60m以上），有著較好的地層條件，可以較好的傳導(dǎo)淺層地熱能。

1.2 淺層地溫場特征

淺層地溫場的垂向分布特征受當?shù)貧夂颉⒌貙咏Y(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀覆蓋層厚度、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素影響，通?？煞譃樽儨貙?、恒溫層、增溫層。

圖1 崇明區(qū)100m以淺粉性土與砂性土層厚度Fig.1 Thickness of shallow powder and sand layer below 100m in Chongming district

變溫層的溫度主要來自太陽的輻射熱能，它隨緯度的高低、海陸分布、季節(jié)、晝夜、植被的變化而不同。通過野外勘察數(shù)據(jù)整理研究發(fā)現(xiàn)，工作區(qū)變溫層底部變化范圍較大一般在10.0～26.0m，平均深度16.7m，略深于上海市全區(qū)域調(diào)查平均值13.3m。

崇明區(qū)恒溫層底部埋深絕大部分地區(qū)小于28.0m，平均深度約為25.2m，恒溫層溫度一般在17.6～18.5℃，平均值17.9℃，與上海市全區(qū)域恒溫層平均溫度17.9℃相等。

在恒溫層以下，為工作區(qū)的增溫層，工作區(qū)100m以淺增溫層的增溫率為一般在2.45～3.05℃范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在東平鎮(zhèn)，為2.25℃/100m。調(diào)查區(qū)增溫率平均值為2.77℃/100m，低于上海市全域平均值3.03℃/100m。全區(qū)120m以淺的增溫層平均溫度范圍為18.19～19.87℃，在崇明區(qū)內(nèi)東平鎮(zhèn)、東平鎮(zhèn)（前哨）及陳家鎮(zhèn)地區(qū)溫度較高，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象主要是受地層結(jié)構(gòu)以及含水層的分布有關(guān)。

2 淺層地熱能靜態(tài)儲量評價

2.1 評價原則

根據(jù)工作區(qū)的淺層地熱能地質(zhì)條件，按照《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》（DZ/T0225-2009）、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366-2005）等規(guī)范和技術(shù)要求計算淺層巖土體熱容量，估算在適宜溫差條件下的資源靜態(tài)儲量[3]。

2.2 儲量計算

（1）計算方法

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》（DZ/T 0225-2009），采用熱儲體積法計算單位面積淺層地熱容量，計算公式如下：

式中：QR——單位面積淺層巖土體熱容量，kJ/（m2·℃）；

ρ0——巖土體天然密度，kg/m3；

C0——巖土體天然比熱容，kJ/(kg·℃)；

d——巖土體計算厚度，m。

首先根據(jù)單孔地層室內(nèi)熱物性參數(shù)，分別計算單孔不同深度范圍內(nèi)與場地不同深度范圍內(nèi)ρ0 C0的平均值，然后計算場地單位面積不同深度的熱容量。

根據(jù)調(diào)查孔及場地不同深度內(nèi)巖土體ρ0 C0的平均值，再乘以計算厚度，得出調(diào)查區(qū)不同場地單位面積淺層巖土體熱容量，崇明生態(tài)島地區(qū)150m以淺巖土體單位面積熱容量為395700 kJ/(m2·℃)，詳見表1。

表1 場地單位面積不同深度的熱容量計算表Table 1 Heat capacity calculation table of diあerent depths per unit area of the site

隨后計算淺層地熱能靜態(tài)儲藏量是指淺層巖土體、地下水中儲藏的可利用溫差條件下可吸收（或釋放）的熱量。

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》（DZ/T 0225-2009），采用熱儲體積法計算單位面積淺層地熱容量，計算公式如下：

式中：Q——淺層地熱能靜態(tài)儲量，kJ；

QR——單位面積淺層巖土體熱容量，kJ/（m2·℃）；

Δt ——可利用溫差，℃；

M ——計算面積，m2。

（2）計算參數(shù)的確定

ΔT的確定：根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）（2009版）中相關(guān)規(guī)定，豎直地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)液體的出口溫度應(yīng)大于原始平均地溫5℃以上，根據(jù)上文分析崇明生態(tài)島地區(qū)夏季制冷時地埋管換熱器循環(huán)液體的平均溫度宜小于38.54℃，冬天供暖時地埋管換熱器循環(huán)液體的平均溫度宜大于7.33℃，崇明生態(tài)島恒溫層至100m平均溫度約為18.91℃，因此，可利用溫差ΔT最大不超過11℃，本次估算采用5℃進行計算。

計算面積M：面積M采用城鎮(zhèn)建設(shè)用地進行計算，根據(jù)《上海市崇明區(qū)總體規(guī)劃暨土地利用總體規(guī)劃（2017-2035）》，崇明生態(tài)島城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積約265km2。

（3）計算結(jié)果

經(jīng)計算，調(diào)查區(qū)150m以淺巖土體淺層地熱容量總計約為1.05×1014kJ/℃；取可利用溫差為5℃時，淺層地熱能靜態(tài)儲量合計約為5.24×1014kJ，折合1788.06萬噸標準煤完全燃燒所釋放的熱量[4]。崇明生態(tài)島地區(qū)熱容量及靜態(tài)儲量詳見表2。

3 地埋管換熱方式淺層地熱能資源潛力

3.1 評價原則

采用單位已埋設(shè)地埋管平面面積可為多少建筑面積提供供暖或制冷需求來表示資源潛力。利用工作區(qū)地埋管換熱方式冬、夏季換熱功率，測算不同建筑物冷熱負荷下的資源潛力，進行開發(fā)利用資源潛力評價[5]。

表2 淺層地熱能靜態(tài)儲量計算表Table 2 Calculation table of shallow geothermal energy static reserves

3.2 潛力計算

（1）單孔換熱功率

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366-2005）（2009版）中地埋管換熱器換熱功率計算公式，考慮上海地區(qū)換熱管多常用單U32，換熱器設(shè)置深度120m，循環(huán)水流速0.6 m/s，夏季工況出水溫度為35.0℃、冬季工況進水溫度為6.0℃，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.90W/(m·K)[6]，計算得崇明生態(tài)島夏季、冬季單孔換熱功率，相關(guān)數(shù)據(jù)見統(tǒng)計表3。

表3 崇明區(qū)夏季與冬季單孔換熱功率統(tǒng)計表Table 3 Single-hole heat transfer power statistics in summer and winter in Chongming district

（2）區(qū)域換熱功率計算

區(qū)域換熱功率采用如下的公式進行計算

式中：

q區(qū)域換熱功率——區(qū)域排或吸熱功率，kW；

q單孔換熱功率——單孔排或吸熱功率，kW；

S建設(shè)用地——工作區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地面積，km2（采用崇明生態(tài)島城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積進行計算）；

Ψ——可供埋管面積系數(shù)，為計算方便根據(jù)規(guī)劃區(qū)各類用地建筑密度計算的可供埋管面積率，取各類規(guī)劃地塊建筑占地面積外的0.7進行加權(quán)平均，為0.469；

d——換熱孔間距，m，根據(jù)上海地區(qū)的工程經(jīng)驗取5.0[7]；

γ——形狀折減系數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取0.75。

按照公式及相關(guān)計算參數(shù)，對區(qū)域換熱功率進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 區(qū)域換熱功率計算一覽表Table 4 Summary of calculation of regional heat transfer power

（3）資源潛力計算

計算參數(shù)：

夏季制冷資源潛力：

冬季制熱資源潛力：

式中：

Dzq——地埋管地源熱泵系統(tǒng)資源潛力，m2/km2；

Dq——地埋管地源熱泵系統(tǒng)區(qū)域換熱功率，kW；

M——地埋管地源熱泵系統(tǒng)計算面積，km2；

q——冬季供暖、夏季制冷負荷，W/m2；

EER——地源熱泵機組的制冷性能系數(shù)；

COP——地源熱泵機組的供熱性能系數(shù)。

對全國、夏熱冬冷地區(qū)以及上海地區(qū)地埋管地源熱泵項目系統(tǒng)性能進行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示；上海地區(qū)的機組供冷性能系數(shù)平均值為4.7，供熱性能系數(shù)為3.94[7]。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，各類建筑的單位建筑面積冷熱負荷指標見表6。

表5 地源熱泵項目性能測試統(tǒng)計表Table 5 Performance test statistics of ground source heat pump projects

表6 規(guī)劃建筑負荷指標一覽表Table 6 Schedule of planned building load indicators

資源潛力計算結(jié)果：

計算結(jié)果不考慮土地利用系數(shù)，各建筑類型制冷、供暖工況的資源潛力見表7。綜合上海地區(qū)各建筑物所占比例，按公建60%、民建40%計算負荷，得到建筑物空調(diào)夏季制冷平均負荷為121W/m2，冬季供暖平均負荷為68W/m2。崇明區(qū)地埋管換熱方式夏季制冷工況平均資源潛力為571848m2/km2，冬季供暖工況平均資源潛力為1019066m2/km2。

表7 不同建筑類型資源潛力一覽表Table 7 List of resource potentials of diあerent building types

4 地埋管換熱系統(tǒng)淺層地熱能開發(fā)利用效益評價

淺層地熱能是一種低品位的熱能資源，通過地源熱泵技術(shù)得以開發(fā)利用，開發(fā)利用效益是通過地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)+燃氣鍋爐進行比較計算出節(jié)能量，從而對淺層地熱能開發(fā)利用的效益進行評價。

4.1 經(jīng)濟效益評價

（1）夏季制冷節(jié)能量

通過與常規(guī)冷水機組進行節(jié)能比較，當制冷量1kW·h時，節(jié)能量可采用下式進行計算：

式中：

ERC——夏季制冷節(jié)能量；

mgce——發(fā)電耗煤量，上海地區(qū)常用值每度電折合所耗標煤量0.3kg標煤/1kW·h；

COPr——地源熱泵制冷能效系數(shù)，可按表3取值，為計算方便取平均值3.49；

COPc——常規(guī)冷水機組能效系數(shù)，根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標準》（DG/TJ08-2162-2015）取值，為計算方便取平均值2.56[8]。

按照公式6和相關(guān)參數(shù)進行計算，當制冷量為1kW·h時，地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量為31.2g標準煤。

（2）冬季供暖節(jié)能量計算

采用地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖與燃氣鍋爐進行比較，首先將地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖時耗電量折算成標煤消耗量，然后計算燃氣鍋提供相同熱量的標煤消耗量，兩者差值即為節(jié)能量。當供暖量1kW·h時，可采用下式進行地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量的計算。

式中：

ERh——冬季供暖節(jié)能量，gec；

P——燃氣鍋爐效率，上海地區(qū)常用值取燃氣鍋爐效率為90%；

Egce——標煤的熱量值，根據(jù)《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008）取29307kJ/kg；

mgce——發(fā)電耗煤量，上海地區(qū)常用值每度電折合所耗標煤量為0.3kg標煤/1kW·h；

COPh——地源熱泵供暖時能效系數(shù)，為計算方便取平均值3.0。

按照公式和相關(guān)參數(shù)進行計算，當供暖1kW·h時，地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖節(jié)能量ERh為36.5g標準煤。

（3）單位建筑面積全年累計節(jié)能量

根據(jù)各類建筑單位面積全年累計負荷，考慮到地下巖土體排、吸熱平衡，采用熱負荷計算建筑物單位面積累計節(jié)能量，各類建筑冬季供暖平均每平米每年可節(jié)約2.19kg標準煤，夏季制冷平均每平米每年可節(jié)約2.20kg標準煤[9]。計算結(jié)果見表8。

表8 單位建筑面積全年累計節(jié)能量Table 8 Annual cumulative energy saving per unit building area

（4）直接經(jīng)濟效益

采用熱量等價值進行換算，1kg標煤約為3.0kW·h電的熱值。電價取1.1元/kW·h，各建筑類型在單位面積每年可節(jié)約費用9.38～28.11元，詳見表9。

表9 可供建筑面積年節(jié)約費用Table 9 Annual cost savings for available building area

綜上所述，對比傳統(tǒng)的（空調(diào)）制冷與（燃氣鍋爐）供暖的方式，利用淺層地熱能進行制冷與供暖，每平方米每年分別可節(jié)約2.2kg與2.19kg的標準煤，換算成直接經(jīng)濟效益，各建筑類型在單位面積每年可節(jié)約費用9.38～28.11元，且由于地熱能屬于清潔能源，還能產(chǎn)生許多間接的經(jīng)濟效益，如減少建設(shè)后期的環(huán)境治理費用、增加地面上的可利用空間以及帶動旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等等。

4.2 環(huán)境效益評價

根據(jù)淺層地熱能開發(fā)利用年節(jié)能量對環(huán)境效益進行評價，按照《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標準》（DG/TJ 08-2162-2015）提供的計算方法分別計算二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、粉塵減排量。

（1）二氧化碳減排量計算公式：

式中：QCO2——二氧化碳減排量；Qbm——標準煤節(jié)約量，kg/年；2.47——標準煤的二氧化碳排放因子。

（2）二氧化硫減排量

計算公式：

式中：QSO2——二氧化硫減排量，kg/年；Qbm——標準煤節(jié)約量，kg /年；0.02——標準煤的二氧化硫排放因子，無量綱。

（3）碳粉塵減排量

計算公式：

式中：QFC——粉塵減排量，kg /年；Qbm——標準煤節(jié)約量，kg /年；0.01——標準煤的碳粉塵排放因子，kg /年。

根據(jù)表8結(jié)果，按照公式8～10對二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、粉塵減排量進行計算，各類建筑單位建筑面積年平均減排二氧化碳10.82kg，年平均減排二氧化硫0.09kg，年平均減排粉塵0.04kg，見表10。

表10 單位建筑面積年減排量估算表Table 10 Estimation of annual emission reductions per unit building area

綜上所述，上海市崇明區(qū)利用淺層地熱能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源進行供暖與制冷，可以為各類建筑單位建筑面積年平均減排10.82kg的二氧化碳、0.09kg的二氧化硫以及0.04kg的粉塵，有非常高的環(huán)境效益，節(jié)能減排的同時還是改善人們的生活環(huán)境。

5 結(jié)論

經(jīng)計算，上海市崇明區(qū)150m以淺巖土體淺層地熱容量總計約為1.05×1014kJ/℃；取可利用溫差為5℃時，淺層地熱能靜態(tài)儲量合計約為5.24×1014kJ，折合1788.06萬噸標準煤完全燃燒所釋放的熱量。標準地埋管埋深120m以淺巖土體淺層地熱容量總計約為8.54×1013kJ/℃；取可利用溫差為5℃時，淺層地熱能靜態(tài)儲量合計約為4.27×1014kJ，折合1464.91萬噸標準煤完全燃燒所釋放的熱量。

在不考慮土地利用系數(shù)，按公建60%、民建40%計算負荷，換熱器深度為120m的條件下，上海市崇明區(qū)地埋管換熱方式夏季制冷工況平均資源潛力為571848m2/km2，冬季供暖工況平均資源潛力為1019066m2/km2。

從經(jīng)濟與環(huán)境效益角度分析，上海市崇明區(qū)各類建筑以地埋管換熱方式進行冬季供暖平均每平方米每年可節(jié)約2.19kg標準煤，夏季制冷平均每平方米每年可節(jié)約2.20kg標準煤，換算成直接經(jīng)濟效益各建筑類型在單位面積每年可節(jié)約費用9.38～28.11元，可實現(xiàn)各類建筑單位建筑面積年平均減排10.82kg的二氧化碳、0.09kg的二氧化硫以及0.04kg的粉塵，環(huán)境效益明顯，并且可以帶動許多附加經(jīng)濟效益以及社會效益，有著巨大的可開發(fā)利用價值，符合崇明區(qū)打造世界級生態(tài)島綠色生態(tài)城區(qū)的規(guī)劃。

因此，本研究成果為上海市崇明區(qū)淺層地溫能地源熱泵的開發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，同時也說明科學合理開發(fā)利用淺層地溫能資源可大大減少常規(guī)能源的使用，改善生態(tài)環(huán)境，其經(jīng)濟、環(huán)境效益非常明顯，科學開發(fā)利用淺層地溫能具有十分重要的意義。