城市空間形態對淺層地溫能開發潛力的影響研究

周亮宇

(山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊,山東 臨沂 276000)

引言

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內的地下土壤、地下水中具有開發利用價值的地溫熱能。利用熱泵技術將其采集利用后，可用于供暖和制冷。淺層地溫能是一種新型可再生能源，具有清潔環保、分布廣、儲量大、埋藏較淺、可就近開發利用等特點，是未來替代化石能源的重要資源，可以減少污染物排放。

一、開發利用前景

當前，世界各國為了逐漸走向生態文明之路并有效實現可持續發展，越來越重視“低碳經濟”的發展。2009年世界氣候大會在哥本哈根舉行，中國政府關于減排的承諾，充分展示了中國謀發展、促合作、負責任的大國形象。目前，“低碳”正成為國民的共識，那么我國在當前的熱點議題便轉向了怎樣通過產業結構的有效調整以及經濟的快速發展來實現“低碳減排”的目標。為了將我國社會經濟的發展能力有效提升，“低碳競爭力”是一個關鍵點。在我國對淺層地溫能的開發程度仍處于起步時期，但是在國外，其早已被廣泛開發并使用。它作為一種可再生的綠色能源而被越來越多的國家重視起來，其發揮的作用也較為顯著，因此在近期，我國極力促進與發展開發利用淺層地熱能。在我國經常使用淺層低溫能來提供制冷與供暖，舉例來講在臨沂市，中心城區2020年新增淺層地熱能利用建筑面積100萬平方米，到2025年，中心城區利用淺層地熱能的建筑面積新增200萬平方米，而在北京地源熱泵系統使用在眾多標志性工程之中，如奧運村以及國家大劇院等等。

二、城市空間形態對淺層地溫能開發潛力的影響

（一）基于供需平衡的地溫能開發適宜性評價指標

采用未區分季節的瞬時供需比作為GSHP系統適宜性準則。但地區氣候差異影響不可忽略。本文將瞬時供需比區分為冬夏季兩種情況，并引入每年冬夏換熱累計供給比作為衡量地溫場穩定性的評價指標，即：某地塊有效利用淺層地溫能，應當同時滿足瞬時供需平衡、全年冬夏累計換熱量均衡這兩個條件。前者是通過GSHP系統為建筑供暖/制冷的地溫能瞬時功率與建筑熱/冷負荷強度的比值;后者是GSHP系統每年冬季從巖土層換取的總熱量與夏季累計向巖土層釋放的總熱量的比值。當冬夏季累計換熱量比值接近1.0時，即認為巖土溫度場長期運行趨于穩定。

（二）加強地質環境監測工作

在開發利用淺層地溫能時，要加強對地質環境的監測，逐步建立淺層地溫能地質環境監測網。對于新的淺層地溫能開發項目，為了便于日后的監測，地質環境監測系統必須同步建立。對于埋地地源熱泵而言，地質環境監測系統的主要功能是監測地溫場的變化。對于地下水型地源熱泵系統，人們必須根據各種因素（如地溫、地下水水質和水位）進行長期監測。一旦發現異常，必須立即采取適當的措施來解決地下水污染和地下溫度場長期單向變化等問題。

（三）冬夏換熱累計供給比(W/S)變化規律和特征

冬夏累計供給比與瞬時供需比存在一定規律性。不同建設模式下，平房區用地W/S值在0.82～1.04間變化，冬夏累計換熱量較均衡。(1)當R值大于等于1.0時，W/S值均在0.82左右。地溫能供給量計算均取建筑冷熱負荷強度上限，而冬季負荷略低于夏季，但熱效高于夏季，故W/S值小于1.0。(2)當冬季Rh大于1.0且夏季Rc小于1.0時，則W/S值上升到0.9附近。此時冬季累計供給量計算采用建筑負荷強度上限，而夏季累計供給量計算采用實際功率并小于負荷上限，故W/S值小幅上升。(3)當冬夏季R均小于1.0時，W/S值上升到1.04。此時W/S計算采用冬夏季實際換熱功率，而冬季供熱周期長于夏季，故W/S值明顯上升。

結語

(1)老城區在容積率總體較低的條件下，在地下30～50m常規深度范圍開發淺層地溫能資源，以居住功能為代表，基本具備建筑供熱制冷的瞬時供給能力，且大部分滿足長期運行后巖土體溫度場全年冬夏換熱平衡的穩定性要求。低密度老城區具有適宜推廣GSHP技術的重要情景，該結論同樣適合于中小城鎮和新農村建設。(2)當埋管深度30～50m時，研究區安裝GSHP系統帶來的建筑供暖制冷情景計算結果節能率達到57%～74%，淺層地溫能利用對節能減排作用明顯。(3)以居住功能為對象，冬夏季瞬時供需比、冬夏換熱累計比作為衡量GSHP宏觀適宜性門檻，完善了適宜性評判標準，可提高潛力評價的精細度。