上海規劃新城淺層地熱能潛力與經濟環境效益分析

  淺層地熱能屬低溫地熱資源，主要通過地源熱泵技術用于建筑物的制?冷和供暖，隨著我國建筑節能和可再生能源建筑應用需求日益增強，其開發利用越來越受到重視。

 

  淺層地熱能的開發利用對構建資源節約和環境友好型社會、促進國家節能減排戰略目標的實現具有重要意義。

 

  淺層地熱能調查評價是其可持續開發利用的基礎，2010年以來我國相繼開展了各省會城市淺層地熱能區域調查評價工作，取得較多成果，有力推進了淺層地熱能的開發利用工作。淺層地熱能開發利用受資源賦存條件、換熱器的設置條件、建筑物制冷供暖的需求特征等綜合影響，而區域調查評價側重于資源賦存條件，針對特定地區的換熱器設置、建筑物制冷供暖的需求特征略顯不足。本文以上海市規劃新城淺層地熱能專項調查為例，根據規劃區建筑物的性質和規劃指標、淺層地熱能資源賦存地質條件，對規劃區淺層地熱能開發利用條件進行分析研究，同時評價了規劃區淺層地熱能開發利用能資源開發利用潛力、經濟和環境效益，希望為上海地區規劃新城淺層地熱能開發利用提供有益借鑒。

 

  1 淺層地熱地質條件

 

  通過野外鉆探、地溫測試、熱響應試驗、室內土工試驗等技術手段，查明了新江灣城地區淺層地熱能地質條件、地溫場及巖土體熱物參數分布特征。

 

  150m以淺地層主要由黏性土、粉性土及砂性土組成，地質時代分屬全新世、晚更新世、中更新世、早更新世。

 

  全新世土層（Qh）共分為五層，土層序號為①~⑤層，一般厚度為22~30m，在古河道切割區厚達45m左右；晚更新世土層（Qp3）共分為四層，土層序號為⑥~⑨層，厚度一般為45~78m；中更新世（Qp2）分為兩層，土層序號為⑩~⑾層，僅部分鉆孔鉆穿。

 

  恒溫帶層底埋深10~23m，溫度為17.40~19.56℃；增溫帶增溫率為1.93~3.32℃/100m。0~100m深度內原始地溫平均溫度為18.58~19.67℃，0~150m平均溫度為19.46~20.13℃[7,8]。

 

  100m深度范圍巖土體綜合導熱系數為1.88~1.95W/(m?K)，體積比熱容為3.67×106~3.89×106J/m3?℃，熱擴散系數為0.510~0.557mm2/s；150m深度范圍巖土體綜合導熱系數為1.89~1.95W/(m?K)，體積比熱容為3.60×106~3.64×106J/m3?℃熱擴散系數為0.52~0.54mm2/s。

 

  2 淺層地熱能開發利用條件分析

 

  根據淺層地熱能地質條件，結合新江灣城建筑物規劃的相關指標，分析建筑物對淺層地熱能資源的需求特性，以規劃建筑資源利用占用率、向地下巖土體累計排吸熱量不平衡率、地源熱泵系統運行時間為評價指標，采用層次分析法對新江灣城淺層地熱能開發利用適用性進行評價。

 

  2.1 建筑物對淺層地熱能的需求特性

 

  根據新江灣城詳細控制規劃，建筑主要以居住建筑、公共建筑為主；居住建筑以多層、高層住宅為主，公共建筑則以辦公、商業、學校等為主。

 

  淺層地熱能的需求特性采用不同類型建筑物向地下巖土體全年累計的排、吸熱量的特性進行表征。根據上海地區不同類型建筑物的冷熱負荷指標和空調系統運行的特征，采用溫頻法估算不同建筑物全年累計冷熱負荷；再根據上海地區地埋管地源熱泵系統夏季制冷、冬季供暖的性能系數的統計值，估算不同建筑物向地下巖土體累計的排吸熱量和兩者的平衡率。

 

  除學校類建筑向地下巖土體全年累計排熱量小于吸熱量外，其它類建筑向巖土體全年累計排熱量均大于吸熱量；各類建筑向地下巖土體全年累計排熱量、吸熱量均達不到平衡，學校、高層住宅類建筑不平衡率相對較小，商業類建筑不平衡率相對較大。當全年累計排熱量、吸熱量不平衡時，針對上海地區的氣候特點，通常以冬季熱負荷為計算標準，夏季不足部分由冷卻塔或地表水地源熱泵等其它方式承擔。

 

  2.2 規劃建筑物開發利用淺層地熱能適用性分析采用層次分析法建立兩兩比較矩陣，計算淺層地熱能資源利用占用率、向地下巖土體累計排吸熱量不平衡率、地源熱泵系統運行時間3個評價指標的權重，并對不同類型建筑物指標以1~5個標度進行賦值，計算各類建筑物綜合判別指標，對建筑物利用淺層地熱能適用性等級做出判斷.

 

  根據上表結果，對新江灣城淺層地熱能建筑利用適用性作出如下分析：

 

  多層住宅、學校類建筑利用淺層地熱能適用性等級為一級，利用效益最好。可通過規劃明確、財政補貼等措施，優先開發利用；高層住宅、機關辦公、教育科研類建筑利用淺層地熱能適用性為二級，淺層地熱能資源能滿足建筑物大部分冷熱源的需求，效益相對較好，但需采用其它輔助冷熱源進行補充，系統相對較復雜。可從規劃建議、財政補貼等措施，推薦開發利用。

 

  商務辦公、商業建筑類分布地區地熱能開發利用適用性為三級，淺層地熱能資源能僅能滿足建筑物小部分冷熱源的需求，不滿足條件的建筑不宜開采利用。

 

  3 淺層地熱能資源開發利用潛力分析

 

  根據淺層地熱能地質條件，計算淺層巖土熱容量和適宜溫差條件下的資源靜態儲量；選用地下換熱器設計經驗參數，計算單孔換熱功率；根據規劃建筑物規劃控制指標、建筑冷熱負荷特點，計算淺層地熱能可供建筑供暖、制冷建筑面積，以此評估淺層地熱能資源開采潛力。

 

  3.1 淺層地熱能的靜態儲量

 

  （1）淺層地熱單位熱容量

 

  淺層巖土體熱容量是指單位面積、單位溫差條件下的淺層巖土體、地下水中儲藏的熱量。根據《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009），采用熱儲體積法計算單位面積淺層地熱容量.