上海規劃新城淺層地熱能潛力與經(jīng)濟環(huán)境效益分析

  淺層地熱能屬低溫地熱資源，主要通過(guò)地源熱泵技術(shù)用于建筑物的制?冷和供暖，隨著(zhù)我國建筑節能和可再生能源建筑應用需求日益增強，其開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。

 

  淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用對構建資源節約和環(huán)境友好型社會(huì )、促進(jìn)國家節能減排戰略目標的實(shí)現具有重要意義。

 

  淺層地熱能調查評價(jià)是其可持續開(kāi)發(fā)利用的基礎，2010年以來(lái)我國相繼開(kāi)展了各省會(huì )城市淺層地熱能區域調查評價(jià)工作，取得較多成果，有力推進(jìn)了淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用工作。淺層地熱能開(kāi)發(fā)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(jià)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(zhuān)項調查為例，根據規劃區建筑物的性質(zhì)和規劃指標、淺層地熱能資源賦存地質(zhì)條件，對規劃區淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行分析研究，同時(shí)評價(jià)了規劃區淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用能資源開(kāi)發(fā)利用潛力、經(jīng)濟和環(huán)境效益，希望為上海地區規劃新城淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用提供有益借鑒。

 

  1 淺層地熱地質(zhì)條件

 

  通過(guò)野外鉆探、地溫測試、熱響應試驗、室內土工試驗等技術(shù)手段，查明了新江灣城地區淺層地熱能地質(zhì)條件、地溫場(chǎng)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(zhì)時(shí)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(kāi)發(fā)利用條件分析

 

  根據淺層地熱能地質(zhì)條件，結合新江灣城建筑物規劃的相關(guān)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(shí)間為評價(jià)指標，采用層次分析法對新江灣城淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適用性進(jìn)行評價(jià)。

 

  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(yè)、學(xué)校等為主。

 

  淺層地熱能的需求特性采用不同類(lèi)型建筑物向地下巖土體全年累計的排、吸熱量的特性進(jìn)行表征。根據上海地區不同類(lèi)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(xué)校類(lèi)建筑向地下巖土體全年累計排熱量小于吸熱量外，其它類(lèi)建筑向巖土體全年累計排熱量均大于吸熱量；各類(lèi)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(xué)校、高層住宅類(lèi)建筑不平衡率相對較小，商業(yè)類(lèi)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(shí)，針對上海地區的氣候特點(diǎn)，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(kāi)發(fā)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(shí)間3個(gè)評價(jià)指標的權重，并對不同類(lèi)型建筑物指標以1~5個(gè)標度進(jìn)行賦值，計算各類(lèi)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(xué)校類(lèi)建筑利用淺層地熱能適用性等級為一級，利用效益最好?？赏ㄟ^(guò)規劃明確、財政補貼等措施，優(yōu)先開(kāi)發(fā)利用；高層住宅、機關(guān)辦公、教育科研類(lèi)建筑利用淺層地熱能適用性為二級，淺層地熱能資源能滿(mǎn)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(jìn)行補充，系統相對較復雜?？蓮囊巹澖ㄗh、財政補貼等措施，推薦開(kāi)發(fā)利用。

 

  商務(wù)辦公、商業(yè)建筑類(lèi)分布地區地熱能開(kāi)發(fā)利用適用性為三級，淺層地熱能資源能僅能滿(mǎn)足建筑物小部分冷熱源的需求，不滿(mǎn)足條件的建筑不宜開(kāi)采利用。

 

  3 淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用潛力分析

 

  根據淺層地熱能地質(zhì)條件，計算淺層巖土熱容量和適宜溫差條件下的資源靜態(tài)儲量；選用地下換熱器設計經(jīng)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(diǎn)，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(kāi)采潛力。

 

  3.1 淺層地熱能的靜態(tài)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(jià)規范》（DZ/T0225-2009），采用熱儲體積法計算單位面積淺層地熱容量.