上海市崇明區淺層地熱能資源量潛力及經濟環境效益評價

游 京，王小清，才文韜

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

崇明區位于上海北部、長江入海口，全區地勢平坦，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，上海重要的生態屏障，對長三角、長江流域乃至全國的生態環境和生態安全具有重要的意義[1]。在《崇明世界級生態島發展“十三五”規劃》中，崇明將被建成21世紀實現更高水平、更高質量綠色發展的重要示范基地，具備生態環境和諧優美、資源集約節約利用、經濟社會協調可持續發展等綜合性特點的世界級生態島。崇明區開發與利用當地淺層地熱能資源是一種因地制宜、高效節能又環保的能源利用項目，可以很大程度上的緩解能源上的需求壓力，提高環境質量，對綠色生態城鎮的發展有著引領示范作用。

在大規模開發淺層地熱能之前，應當對崇明區域內進行較為詳細的淺層地熱能資源量及開發利用潛力評價，避免盲目開發淺層地熱能資源所造成的經濟損失、環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等問題，影響淺層地熱能資源的可持續開發利用。所以，對工作區開展淺層地熱能資源量及開發潛力評價，制定科學的開發規劃，對實現淺層地熱能的可持續開發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、粉質黏土、粉土及砂層所組成的多層結構松散堆積物，為地下水的賦存創造了有利的場所。

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，并且在通常情況下較厚的粉、砂層能使地源熱泵系統地下換熱管保持較高的換熱效率。根據研究區大量巖土工程勘察數據整理研究發現，崇明區100m以淺的粉性土與砂性土層厚度分布不均，起伏較大（圖1），最大值出現在建設鎮附近為81.30m，最小值出現在城橋鎮附近為23.30m，全區平均值為54.57m。在城橋鎮東部、港西鎮、建設鎮、東平鎮、廟鎮、中興鎮、向化鎮、長興鎮以及橫沙鄉都有著較厚的粉、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地氣候、地層結構、地層巖性、水文地質條件、第四紀覆蓋層厚度、地質構造等多方面因素影響，通常可分為變溫層、恒溫層、增溫層。

圖1 崇明區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、晝夜、植被的變化而不同。通過野外勘察數據整理研究發現，工作區變溫層底部變化范圍較大一般在10.0～26.0m，平均深度16.7m，略深于上海市全區域調查平均值13.3m。

崇明區恒溫層底部埋深絕大部分地區小于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℃，與上海市全區域恒溫層平均溫度17.9℃相等。

在恒溫層以下，為工作區的增溫層，工作區100m以淺增溫層的增溫率為一般在2.45～3.05℃范圍內，最小值出現在東平鎮，為2.25℃/100m。調查區增溫率平均值為2.77℃/100m，低于上海市全域平均值3.03℃/100m。全區120m以淺的增溫層平均溫度范圍為18.19～19.87℃，在崇明區內東平鎮、東平鎮（前哨）及陳家鎮地區溫度較高，通過調查發現該現象主要是受地層結構以及含水層的分布有關。

2 淺層地熱能靜態儲量評價

2.1 評價原則

根據工作區的淺層地熱能地質條件，按照《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009）、《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366-2005）等規范和技術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儲量[3]。

2.2 儲量計算

（1）計算方法

根據《淺層地熱能勘查評價規范》（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。

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

根據調查孔及場地不同深度內巖土體ρ0 C0的平均值，再乘以計算厚度，得出調查區不同場地單位面積淺層巖土體熱容量，崇明生態島地區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《淺層地熱能勘查評價規范》（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）計算參數的確定

ΔT的確定：根據《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）（2009版）中相關規定，豎直地埋管換熱器內循環液體的出口溫度應大于原始平均地溫5℃以上，根據上文分析崇明生態島地區夏季制冷時地埋管換熱器循環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液體的平均溫度宜大于7.33℃，崇明生態島恒溫層至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采用城鎮建設用地進行計算，根據《上海市崇明區總體規劃暨土地利用總體規劃（2017-2035）》，崇明生態島城鎮建設用地面積約265km2。

（3）計算結果

經計算，調查區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]。崇明生態島地區熱容量及靜態儲量詳見表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，進行開發利用資源潛力評價[5]。

表2 淺層地熱能靜態儲量計算表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《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366-2005）（2009版）中地埋管換熱器換熱功率計算公式，考慮上海地區換熱管多常用單U32，換熱器設置深度120m，循環水流速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℃，回填材料導熱系數為1.90W/(m·K)[6]，計算得崇明生態島夏季、冬季單孔換熱功率，相關數據見統計表3。

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

（2）區域換熱功率計算

區域換熱功率采用如下的公式進行計算

式中：

q區域換熱功率——區域排或吸熱功率，kW；

q單孔換熱功率——單孔排或吸熱功率，kW；

S建設用地——工作區規劃建設用地面積，km2（采用崇明生態島城鎮建設用地面積進行計算）；

Ψ——可供埋管面積系數，為計算方便根據規劃區各類用地建筑密度計算的可供埋管面積率，取各類規劃地塊建筑占地面積外的0.7進行加權平均，為0.469；

d——換熱孔間距，m，根據上海地區的工程經驗取5.0[7]；

γ——形狀折減系數，根據地區經驗取0.75。

按照公式及相關計算參數，對區域換熱功率進行計算，計算結果見表4。

表4 區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：

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資源潛力，m2/km2；

Dq——地埋管地源熱泵系統區域換熱功率，kW；

M——地埋管地源熱泵系統計算面積，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；

COP——地源熱泵機組的供熱性能系數。

對全國、夏熱冬冷地區以及上海地區地埋管地源熱泵項目系統性能進行統計，結果如表5所示；上海地區的機組供冷性能系數平均值為4.7，供熱性能系數為3.94[7]。

根據《實用供熱空調設計手冊》，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計表Table 5 Performance test statistics of ground source heat pump projects

表6 規劃建筑負荷指標一覽表Table 6 Schedule of planned building load indicators

資源潛力計算結果：

計算結果不考慮土地利用系數，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 地埋管換熱系統淺層地熱能開發利用效益評價

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

4.1 經濟效益評價

（1）夏季制冷節能量

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

式中：

ERC——夏季制冷節能量；

mgce——發電耗煤量，上海地區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，可按表3取值，為計算方便取平均值3.49；

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

按照公式6和相關參數進行計算，當制冷量為1kW·h時，地源熱泵系統節能量為31.2g標準煤。

（2）冬季供暖節能量計算

采用地源熱泵系統冬季供暖與燃氣鍋爐進行比較，首先將地源熱泵系統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，兩者差值即為節能量。當供暖量1kW·h時，可采用下式進行地源熱泵系統節能量的計算。

式中：

ERh——冬季供暖節能量，gec；

P——燃氣鍋爐效率，上海地區常用值取燃氣鍋爐效率為90%；

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

mgce——發電耗煤量，上海地區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，為計算方便取平均值3.0。

按照公式和相關參數進行計算，當供暖1kW·h時，地源熱泵系統冬季供暖節能量ERh為36.5g標準煤。

（3）單位建筑面積全年累計節能量

根據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能量，各類建筑冬季供暖平均每平米每年可節約2.19kg標準煤，夏季制冷平均每平米每年可節約2.20kg標準煤[9]。計算結果見表8。

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

（4）直接經濟效益

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約費用9.38～28.11元，詳見表9。

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

綜上所述，對比傳統的（空調）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約2.2kg與2.19kg的標準煤，換算成直接經濟效益，各建筑類型在單位面積每年可節約費用9.38～28.11元，且由于地熱能屬于清潔能源，還能產生許多間接的經濟效益，如減少建設后期的環境治理費用、增加地面上的可利用空間以及帶動旅游產業的發展等等。

4.2 環境效益評價

根據淺層地熱能開發利用年節能量對環境效益進行評價，按照《可再生能源建筑應用測試評價標準》（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——標準煤節約量，kg /年；0.01——標準煤的碳粉塵排放因子，kg /年。

根據表8結果，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，上海市崇明區利用淺層地熱能代替傳統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，有非常高的環境效益，節能減排的同時還是改善人們的生活環境。

5 結論

經計算，上海市崇明區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，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。

從經濟與環境效益角度分析，上海市崇明區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約2.19kg標準煤，夏季制冷平均每平方米每年可節約2.20kg標準煤，換算成直接經濟效益各建筑類型在單位面積每年可節約費用9.38～28.11元，可實現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，環境效益明顯，并且可以帶動許多附加經濟效益以及社會效益，有著巨大的可開發利用價值，符合崇明區打造世界級生態島綠色生態城區的規劃。

因此，本研究成果為上海市崇明區淺層地溫能地源熱泵的開發提供了重要的數據支持，同時也說明科學合理開發利用淺層地溫能資源可大大減少常規能源的使用，改善生態環境，其經濟、環境效益非常明顯，科學開發利用淺層地溫能具有十分重要的意義。