城市空間形態(tài)對(duì)淺層地溫能開(kāi)發(fā)潛力的影響研究

周亮宇

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì),山東 臨沂 276000)

引言

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內(nèi)的地下土壤、地下水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的地溫?zé)崮?。利用熱泵技術(shù)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(huán)保、分布廣、儲(chǔ)量大、埋藏較淺、可就近開(kāi)發(fā)利用等特點(diǎn)，是未來(lái)替代化石能源的重要資源，可以減少污染物排放。

一、開(kāi)發(fā)利用前景

當(dāng)前，世界各國(guó)為了逐漸走向生態(tài)文明之路并有效實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越重視“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展。2009年世界氣候大會(huì)在哥本哈根舉行，中國(guó)政府關(guān)于減排的承諾，充分展示了中國(guó)謀發(fā)展、促合作、負(fù)責(zé)任的大國(guó)形象。目前，“低碳”正成為國(guó)民的共識(shí)，那么我國(guó)在當(dāng)前的熱點(diǎn)議題便轉(zhuǎn)向了怎樣通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)“低碳減排”的目標(biāo)。為了將我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展能力有效提升，“低碳競(jìng)爭(zhēng)力”是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在我國(guó)對(duì)淺層地溫能的開(kāi)發(fā)程度仍處于起步時(shí)期，但是在國(guó)外，其早已被廣泛開(kāi)發(fā)并使用。它作為一種可再生的綠色能源而被越來(lái)越多的國(guó)家重視起來(lái)，其發(fā)揮的作用也較為顯著，因此在近期，我國(guó)極力促進(jìn)與發(fā)展開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮堋Ｔ谖覈?guó)經(jīng)常使用淺層低溫能來(lái)提供制冷與供暖，舉例來(lái)講在臨沂市，中心城區(qū)2020年新增淺層地?zé)崮芾媒ㄖ娣e100萬(wàn)平方米，到2025年，中心城區(qū)利用淺層地?zé)崮艿慕ㄖ娣e新增200萬(wàn)平方米，而在北京地源熱泵系統(tǒng)使用在眾多標(biāo)志性工程之中，如奧運(yùn)村以及國(guó)家大劇院等等。

二、城市空間形態(tài)對(duì)淺層地溫能開(kāi)發(fā)潛力的影響

（一）基于供需平衡的地溫能開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用未區(qū)分季節(jié)的瞬時(shí)供需比作為GSHP系統(tǒng)適宜性準(zhǔn)則。但地區(qū)氣候差異影響不可忽略。本文將瞬時(shí)供需比區(qū)分為冬夏季兩種情況，并引入每年冬夏換熱累計(jì)供給比作為衡量地溫場(chǎng)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即：某地塊有效利用淺層地溫能，應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足瞬時(shí)供需平衡、全年冬夏累計(jì)換熱量均衡這兩個(gè)條件。前者是通過(guò)GSHP系統(tǒng)為建筑供暖/制冷的地溫能瞬時(shí)功率與建筑熱/冷負(fù)荷強(qiáng)度的比值;后者是GSHP系統(tǒng)每年冬季從巖土層換取的總熱量與夏季累計(jì)向巖土層釋放的總熱量的比值。當(dāng)冬夏季累計(jì)換熱量比值接近1.0時(shí)，即認(rèn)為巖土溫度場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行趨于穩(wěn)定。

（二）加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作

在開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，逐步建立淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。對(duì)于新的淺層地溫能開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，為了便于日后的監(jiān)測(cè)，地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須同步建立。對(duì)于埋地地源熱泵而言，地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)地溫場(chǎng)的變化。對(duì)于地下水型地源熱泵系統(tǒng)，人們必須根據(jù)各種因素（如地溫、地下水水質(zhì)和水位）進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)異常，必須立即采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)解決地下水污染和地下溫度場(chǎng)長(zhǎng)期單向變化等問(wèn)題。

（三）冬夏換熱累計(jì)供給比(W/S)變化規(guī)律和特征

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

結(jié)語(yǔ)

(1)老城區(qū)在容積率總體較低的條件下，在地下30～50m常規(guī)深度范圍開(kāi)發(fā)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(shí)供給能力，且大部分滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行后巖土體溫度場(chǎng)全年冬夏換熱平衡的穩(wěn)定性要求。低密度老城區(qū)具有適宜推廣GSHP技術(shù)的重要情景，該結(jié)論同樣適合于中小城鎮(zhèn)和新農(nóng)村建設(shè)。(2)當(dāng)埋管深度30～50m時(shí)，研究區(qū)安裝GSHP系統(tǒng)帶來(lái)的建筑供暖制冷情景計(jì)算結(jié)果節(jié)能率達(dá)到57%～74%，淺層地溫能利用對(duì)節(jié)能減排作用明顯。(3)以居住功能為對(duì)象，冬夏季瞬時(shí)供需比、冬夏換熱累計(jì)比作為衡量GSHP宏觀適宜性門(mén)檻，完善了適宜性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可提高潛力評(píng)價(jià)的精細(xì)度。