碳中和背景下上海市淺層地熱能開發效益分析與評價

周念清，孔令熙，王小清

（1. 同濟大學水利工程系，上海 200092；2. 上海淺層地熱能工程技術研究中心，上海 200072）

隨著社會經濟的快速發展和化石能源的廣泛使用，CO2排放量急劇增加，導致全球變暖和環境惡化。建筑業在人類生產活動中消耗能源最多，約占能源消耗總量的40%，溫室氣體排放的30%[1]。中國作為全球最大的碳排放國，于2020年提出在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，所以在經濟社會發展的同時完成節能減碳任務是政府目前的工作重點[2-3]。采用綠色可再生能源取代傳統能源如化石燃料，被認為是減少溫室氣體排放和全球變暖效應的有效途徑[4-5]。淺層地熱能作為一種新型綠色可再生能源，具有埋藏深度淺、循環再生速度快、分布較為廣泛、高效節能等特點，適合在各種建筑類型中進行推廣應用[6-7]。淺層地熱能的利用方式主要有地埋管地源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵等，其中地埋管地源熱泵在我國應用最廣[8]。半個多世紀以來，地源熱泵技術不斷發展成熟，在美國和北歐的應用已經十分普及[9-10]。近20年來我國也相繼出臺相關政策文件，大力推進淺層地熱能的開發利用[11]，目前我國地熱直接利用裝機容量和能源使用量已躍居世界第一[12]。全國336個地級市已探明的淺層地熱能資源量約為1.11×1017kJ/℃，年可采資源量相當于7億噸標準煤，可實現建筑供暖（制冷）面積僅3.26萬km2，而目前全國實現淺層地熱能建筑供暖（制冷）面積約8.1億m2，仍有巨大的開發潛力[13]。

為了更好地對地熱資源進行合理地開發和利用，國內外相繼開展了淺層地熱能資源潛力的相關評價研究[14-16]。龍西亭等[17]對長沙淺層地熱能開發進行了適宜性和資源潛力評價，得到該地區供暖和制冷潛力分別為4.22×105m2/km2和3.82×105m2/km2。另外，一些學者也開展了地源熱泵（GSHP）節能減排效益的評價研究工作[18-19]。Islam等[20]曾對一個養殖場的供暖系統進行了實驗研究，得出地源熱泵相比常規供暖系統的能耗和CO2排放都有明顯降低。Yin等[21]研究了美國32個住宅地源熱泵系統在嚴寒氣候下的經濟效益和環境影響，結果表明，與燃氣鍋爐相比地源熱泵可節能44.86%且減少45%的CO2排放量。李金華[22]討論了北京地區地源熱泵供暖對節能減排的貢獻度，認為新增地源熱泵供暖4545萬m2建筑面積，則建筑領域將減少15萬噸CO2排放。總體而言，針對淺層地熱能資源評價和經濟環境效益分析的研究還不完善，結合政府節能減排政策進行探討的研究成果尚不多見，有必要進一步開展相關的研究工作。

上海市位于長江三角洲前緣，是我國的經濟、金融、貿易、航運和科創中心。截至2021年，全市總面積約6833 km2，常住人口約2489萬人，地區生產總值約43214億元。根據上海市“十四五”規劃，全市將著力推動電力、鋼鐵、化工等重點領域和重點用能單位節能降碳，確保在2025年前實現碳達峰，這對全國碳達峰/碳中和目標的推進和實現具有重要示范作用。本文根據現場監測和試驗數據，綜合分析上海市淺層地熱能貯藏條件并對資源量進行估算，探討地源熱泵系統的開發潛力，根據計算分析結果評價淺層地熱能開發的經濟環境效益，最后討論淺層地熱能開發對上海市碳中和行動計劃的可行性和貢獻度。本研究對上海市淺層地熱能開發利用具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 淺層地熱能賦存條件分析

將上海市全域（陸域）作為本次地熱資源潛力評價的范圍，在研究區內選取了28個孔徑為120 mm、孔深為150 m的地埋管勘察孔（圖1），并獲取了相應的地層結構、土工試驗數據、原始地溫監測資料和原位熱響應數據。

圖1 研究區范圍及鉆孔分布Fig.1 Study area and boreholes distribution

1.1 區域地質和水文地質條件

區域地質、水文地質和地熱條件決定了淺層地熱能的儲量和開發利用潛力。上海市域內地貌類型主要由長江沖積平原和濱海平原組成，200 m以淺深度范圍內地層主要由第四系松散沉積物組成，僅西南區域局部有基巖分布。松散堆積層厚度空間分布不均，大部分區域介于76～340 m之間。其中嘉定、寶山、崇明島等地較厚，在280～480 m之間，而西部和西南部區域較薄，為40～200 m不等。相對而言，較厚的第四系沉積物其保溫性能較好。

松散沉積物的成層分布為地下水的賦存提供了有利的場所，研究區內150 m以淺地層分布有潛水含水層和第I、II、Ⅲ承壓含水層，潛水水位埋深在0.5～1 m之間。上海地區淺層地熱能換熱井井深一般為100～150 m，而該地區150 m以淺地層分布著較厚的粉、砂性土層，有著良好的地熱能傳導和換熱條件，適合進行地熱能開發利用。

1.2 地熱地質條件

地溫測試鉆孔實測的地溫數據顯示，研究區地溫垂向分布分帶明顯，自上而下分別為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。其中變溫帶和恒溫帶的層底分別在9.0～17.0 m和17.0～27.0 m之間，平均值分別為13.3 m和23.0 m。在大區域尺度上，上海位于我國南方高地溫梯度分布區，地溫梯度高于南方地區平均值2.4 ℃/100m[22]，研究區150 m深度范圍內地層增溫率在2.5～4.3 ℃/100m之間變化，平均值為3.4 ℃/100m。研究區增溫帶50 m、100 m和150 m深度平均地溫分別為18.7 ℃、20.2 ℃和21.7 ℃。以研究區內ZK6鉆孔的地溫剖面為例，變溫帶隨深度增加，地溫逐漸降低，在16～24 m深度地溫穩定在18.1℃左右；隨著深度繼續增加，地溫逐漸升高，溫度梯度約為3.3 ℃/100m（圖2）。

圖2 ZK6鉆孔實測地溫曲線Fig.2 Measured geothermal curve of ZK6 borehole

通過現場熱響應試驗可以準確獲得巖土體的綜合熱物性參數。研究區內150 m以淺綜合導熱系數在1.762～2.160 W/(m·℃)，綜合導熱系數隨著含砂率的增加而增大：當含砂率小于20%時，綜合導熱系數通常小于1.800 W/(m·℃)，如西部和西南部區域；當含砂率大于50%時，綜合導熱系數通常大于1.950 W/(m·℃)，如中部和南部區域。區內150 m以淺平均比熱容為1223～1433 J/(kg·℃)，平均體積比熱容為2378～2793 kJ/(m3·℃)，東部和中部的比熱容較低，西南部相對較高。平均導熱系數為1.547～1.925 W/(m·℃)，東部和中部的導熱性能較好，而西南部相對較差。

2 淺層地熱能開發利用資源潛力評估

2.1 單孔換熱功率

根據《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T 0225-2009），在層狀分布均勻的土壤或巖石中，穩定傳熱條件下U形地埋管的單孔換熱功率按下式計算：

式中：D為單孔換熱功率，W；λ1,λ2,λ3分別為地埋管、回填料和巖土體的平均導熱系數，W/(m·℃)； 為地埋管換熱器長度，m；r1,r2分別為地埋管束的等效半徑和等效外徑，m；r3,r4分別為換熱孔平均半徑和換熱溫度影響半徑，m；t1,t2分別為地埋管內流體的平均溫度和原始地溫，℃；

根據工程的實際應用情況，取換熱孔直徑為130 mm，埋管深度為150 m，地埋管管材型號為PE100DN32*2.6，換熱孔中回填料的導熱系數取2.4 W/(m·℃)[23-24]。根據現場熱響應試驗觀測數據，換熱溫度影響半徑r4取平均值1.5 m。

根據《地源熱泵系統工程技術規范（2009年版）》（GB 50366-2005）相關規定，夏季工況換熱器出水溫度宜低于33℃，冬季工況換熱器進水溫度宜高于4℃。根據地質鉆孔熱響應試驗結果和區內應用工程運行情況，地埋管內流體平均溫度 夏季工況取33℃，冬季工況取6℃。

將各區域按照巖土體平均導熱系數分為低值區、中值區和高值區，分別計算制冷和供暖工況的平均單孔換熱功率，計算結果見表1。

表1 上海各區域地源熱泵單孔換熱功率Table 1 Single hole heat transfer power of GSHP in each region of Shanghai

2.2 區域換熱功率

在計算單孔換熱功率的基礎上，按單位面積可布孔數、土地利用系數、可開發利用面積，計算各區域換熱功率，其表達式如下：

式中：Dq為地源熱泵區域換熱功率，kW；M為計算區域面積，km2；n為單位面積可鉆換熱孔數；Ψ為地埋管土地利用系數；d為地埋管間距，m。

依據上海市工程建設規范《地源熱泵系統工程技術規程》（DG/TJ 08-2110-2013）條文4.2.12中規定：鉆孔間距宜為4～6 m，故選擇埋管間距d為5 m作為計算標準。

地埋管地源熱泵系統開發利用及土地利用系數的確定依據為：建設用地規模占行政面積的比例，乘以城市建設綠地率，再乘以地源熱泵埋管比例。根據《上海市城市總體規劃（2017-2035年）》，至2035年全市建設用地控制在3200 km2以內，占全市土地總面積的46.8%。另外，城市建設綠地率規定新區不小于35%，舊城區不小于25%；地埋管地源熱泵埋管比例新區取70%，舊城區取50%。由此可計算得到各區域的土地利用系數。

根據建設用地規劃、土地利用系數以及單孔換熱功率進行分區計算，研究區的換熱功率計算結果見表2。

表2 研究區地源熱泵區域換熱功率Table 2 Regional heat transfer power of GSHP in the study area

2.3 地源熱泵系統資源潛力分析

采用單位面積淺層地熱能開采量可提供制冷和供暖需求的建筑面積來表示資源潛力。利用研究區地源熱泵夏季制冷和冬季供暖換熱功率，評價給定建筑物冷熱負荷指標下的資源開發利用潛力。計算公式如下：

式中：Dzq為地源熱泵資源潛力，m2/km2；qc,qh分別為夏季制冷和冬季供暖負荷，W/m2；EER,CPO分別為地源熱泵機組的制冷能效比和供熱性能系數。

根據上海市地源熱泵應用項目的統計結果，該地區制冷性能系數區間為3.60～6.10，供暖性能系數為3.20～5.00[25]。因此，計算中制冷性能系數和供暖性能系數分別取平均值4.70和3.94。

根據《實用供熱空調設計手冊》確定制冷和供暖負荷，獲取各類建筑的單位建筑面積冷熱負荷指標。按照公建60%、民建40%的比例劃分研究區的建筑物類型來計算冷、熱負荷，可得研究區建筑物夏季制冷平均負荷為121.2 W/m2，冬季供暖平均負荷為67.8 W/m2。

計算可得，考慮土地利用系數時，研究區地源熱泵夏季制冷可供建筑面積為94745萬m2，冬季供暖可供建筑面積為280636萬m2；地埋管換熱方式平均資源潛力夏季制冷工況為300026 m2/km2，冬季供暖工況為888679 m2/km2，計算結果詳見表3。

表3 地源熱泵可供建筑面積和資源潛力評估Table 3 Assessment of available floor area and resource potential for GSHP

3 淺層地熱能開發利用效益分析

淺層地熱能開發利用效益是將地源熱泵系統運行性能與常規空調和供暖系統對比，從而對淺層地熱能開發利用的經濟性、節能性和環保性進行評價。本文中常規空調系統指夏季制冷采用水冷冷水機組，冬季供暖采用燃煤鍋爐。

3.1 節能效益分析

首先通過估算研究區不同建筑類型全年累計冷熱負荷，計算出地源熱泵系統與常規供暖、制冷方式的節能量，分析每平方米地源熱泵系統應用面積的節能效益；然后根據研究區淺層地熱能開發利用潛力，設置不同的開采模式，對研究區淺層地熱能開發利用的節能量進行分析評價。

（1）研究區建筑全年累計冷熱負荷

根據上海地區不同類型建筑物空調冷熱負荷指標和設計參數，依據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）所規定的各個負荷段所占的運行時間比例，按公式（6）和（7）分別計算辦公、賓館、商場、醫療和學校5種公共建筑的夏季制冷季、冬季供暖季累計負荷。

式中：Qc,Qh分別為單位空調面積累計冷負荷和熱負荷，kW·h/m2；tc,th分別為夏季制冷和冬季供暖的運行時間，h；ac,ah分別為冷負荷和熱負荷調整系數，均取0.52。

由于住宅建筑空調使用情況個體差異較大，所以其累計冷熱負荷參照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JDJ 134-2010）相關計算：住宅建筑夏季運行時間為6月15日至8月31日，每天運行12小時；冬季運行時間為12月1日至次年2月28日，每天運行12小時。

根據不同建筑類型冷熱負荷指標和運行時間估算全年累計冷熱負荷，估算結果詳見表4。可以看到，研究區不同建筑類型的全年累計冷熱負荷差異較大，分別在38.4～178.5 kW·h/m2和28.1～75.3 kW·h/m2之間。

（2）地源熱泵系統節能量計算

由于研究區淺層地熱能應用建筑類型廣泛，應用規模不一，不同建筑類型和運行模式的地源熱泵系統節能率也有所不同。根據對研究區淺層地熱能應用情況的調研，辦公建筑項目數量較多、應用面積最大，且建筑累計冷熱負荷在各類建筑中居中。因此，以辦公建筑為例，計算研究區淺層地熱能開發利用的節能效益，參見表4。

表4 不同建筑類型全年累計冷熱負荷估算Table 4 Annual cumulative cooling and heating load estimation results of different building types

上海為夏熱冬冷地區，冬夏季地源熱泵系統的吸排熱量不平衡。為了保護地質環境，往往以冬季供暖工況設計地源熱泵系統地埋管換熱器，夏季采用輔助冷源進行調峰，使冬季向地下取熱量與夏季向地下儲熱量基本平衡。因此計算節能時，以冬季負荷為依據，對夏季負荷進行修正，保證冬夏季吸排熱量平衡。修正后的辦公建筑夏季累計冷負荷為20.3 kW·h/m2。地源熱泵系統節能量計算參照公式（8）～（12）。

式中：Qr為修正后的建筑累計冷負荷，kW·h/m2；ΔE為地源熱泵系統全年節能量，kgce/m2；ΔEc, ΔEh分別為制冷季和供暖季節能量，kgce/m2；ΔP為全年節約電量，kW·h/m2；εc,εh分別為地源熱泵系統的制冷和供暖能效比；εt為常規空調系統制冷能效比；ηt為燃煤鍋爐運行效率；qbm為標準煤熱值，取29307 kJ/kg；D為每度電折合所耗標準煤量，取0.327 kgce/ kW·h；

根據《可再生能源建筑應用測試評價標準》（DG/TJ 08-2162-2015），εt取2.6，ηt取0.7；根據已建地源熱泵系統的性能測試，εc取3.75，εh取3.35。

經計算，每平方米辦公建筑地源熱泵系統制夏季制冷和冬季供暖的節能量分別為2.40 kW·h和8.71 kW·h，折合標準煤分別為0.78 kg和2.85 kg，全年節能量合計標準煤3.63 kg。地源熱泵系統節能量計算結果見表5。

表5 地源熱泵系統節能量分析Table 5 GSHP system energy saving analysis

根據研究區淺層地熱能條件和冷熱負荷需求，為了使冬季向地下取熱量與夏季向地下儲熱量基本平衡，要求冬夏兩季均以供暖工況設計地埋管換熱器，夏季再采用輔助冷源進行調峰。因此，采用淺層地熱能冬季供暖可供面積進行節能量的估算。經估算，研究區淺層地熱能開采率為10%、20%、40%、80%和100%時全區每年可節約能源折合標準煤分別為203.7、407.5、611.2、815.0和1018.7萬噸，節能效益十分可觀。

3.2 環境效益分析

淺層地熱能開發利用的環境效益從CO2、SO2和粉塵減排量3個方面進行分析。根據《可再生能源建筑應用測試評價標準》（DG/TJ 08-2162-2015），利用前面計算的全年節能量按照公式（13）～（15）分別對CO2、SO2和粉塵的減排量進行估算。

式中：QCO2,QSO2,Qfc分別為CO2、SO2和粉塵減排量，t/yr；Qs為常規能源替代量，tce/yr；VCO2,VSO2,Vfc分別為CO2、SO2和粉塵的排放強度，分別取2.47 t/tce、0.02 t/tce和0.01 t/tce。

經過估算，研究區淺層地熱能開采強度為100%時，全年可實現CO2、SO2和粉塵減排量分別為2516.2、20.4和10.2萬噸，減排效果十分顯著。計算結果詳見表6。

表6 淺層地熱能利用減排效益估算結果Table 6 Estimation of emission reduction of shallow geothermal energy utilization

4 淺層地熱能開發對上海實現碳中和的意義

根據《上海市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，上海將制定全市碳排放達峰行動計劃，著力推動電力、鋼鐵、化工等重點領域和重點用能單位節能降碳，確保在2025年前實現碳排放達峰。《上海市城市總體規劃（2017-2035年）》中提出了具體目標：全市碳排放總量和人均碳排放于2025年達到峰值，至2035年控制碳排放總量較峰值減少5%左右。

2021年，上海市CO2排放量約為2億噸，年排放增量控制在900萬噸以內。其中來自工業、交通和建筑3大領域的碳排放分別約占45%、30%和25%，即建筑領域當前年碳排放量約為5000萬噸。而《上海市綠色建筑“十四五”規劃》明確提出城鄉建設碳達峰行動，至2025年建筑領域碳排放量控制在4500萬噸左右，因此，到2025年建筑領域CO2減排指標為500萬噸。根據上海市每年的房屋竣工面積、可再生能源占建筑能耗比例、地熱能可供建筑面積來計算淺層地熱能開發利用對減少碳排放的貢獻量。淺層地熱能開發利用對CO2減排貢獻量，其估算結果詳見表7。

表7 淺層地熱能利用對CO2減排的貢獻量估算Table 7 Estimation of the contribution of shallow geothermal energy utilization to CO2 emission reduction

結果顯示，到2025年，地熱能占可再生能源在建筑中使用比例為20%、40%和60%時，可實現CO2減排量分別為39.8、79.7和119.5萬噸，對全市CO2減排目標的貢獻度分別為8.0%、15.9%和23.9%。由此可見，淺層地熱能的開發利用有助于上海市調整能源結構、實現節能減排以及碳達峰/碳中和的行動目標。

需要說明的是，由于經濟社會發展形勢變化較大，相關統計數據較難預測，故本研究僅估算至2025年的結果。若要得到2025年之后的CO2減排貢獻量，可在獲取可靠的數據后再按此方法進行估算。

5 結論

（1）根據上海各區建設用地規劃確定土地利用系數，計算得到研究區夏季制冷和冬季供暖的區域換熱總功率分別為1.39×108kW和1.42×108kW。按公建60%、民建40%的建筑類型比例計算制冷供暖負荷，得到地源熱泵夏季制冷可供建筑面積為94745萬m2，冬季供暖可供建筑面積為280636萬m2；地埋管換熱方式平均資源潛力夏季制冷工況為300026 m2/km2，冬季供暖工況為888679 m2/km2。

（2）從經濟與環境效益角度分析，以辦公建筑為代表的上海市各類建筑地源熱泵系統夏季制冷和冬季供暖的節能量分別為2.40 kW·h/m2和8.71 kW·h/m2，折合標準煤分別為0.78 kg/m2和2.85 kg/m2，全年節能量合計標準煤3.63 kg/m2。研究區淺層地熱能開采強度為100%時，全年可節約能源約合1018.7萬噸標準煤，可實現CO2、SO2和粉塵減排量分別為2516.2、20.4和10.2萬噸，節能減排效果顯著。

（3）根據上海市碳達峰行動計劃，到2025年，地熱能占可再生能源在建筑中使用比例為20%、40%和60%時，可實現CO2減排量分別為39.8、79.7和119.5萬噸，對CO2減排目標的貢獻度分別為8.0%、15.9%和23.9%。說明淺層地熱能開發利用對實現碳達峰/碳中和目標是可行且效益顯著。