碳中和背景下上海市浅层地热能开发效益分析与评价

周念清，孔令熙，王小清

（1. 同济大学水利工程系，上海 200092；2. 上海浅层地热能工程技术研究中心，上海 200072）

随着社会经济的快速发展和化石能源的广泛使用，CO2排放量急剧增加，导致全球变暖和环境恶化。建筑业在人类生产活动中消耗能源最多，约占能源消耗总量的40%，温室气体排放的30%[1]。中国作为全球最大的碳排放国，于2020年提出在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，所以在经济社会发展的同时完成节能减碳任务是政府目前的工作重点[2-3]。采用绿色可再生能源取代传统能源如化石燃料，被认为是减少温室气体排放和全球变暖效应的有效途径[4-5]。浅层地热能作为一种新型绿色可再生能源，具有埋藏深度浅、循环再生速度快、分布较为广泛、高效节能等特点，适合在各种建筑类型中进行推广应用[6-7]。浅层地热能的利用方式主要有地埋管地源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵等，其中地埋管地源热泵在我国应用最广[8]。半个多世纪以来，地源热泵技术不断发展成熟，在美国和北欧的应用已经十分普及[9-10]。近20年来我国也相继出台相关政策文件，大力推进浅层地热能的开发利用[11]，目前我国地热直接利用装机容量和能源使用量已跃居世界第一[12]。全国336个地级市已探明的浅层地热能资源量约为1.11×1017kJ/℃，年可采资源量相当于7亿吨标准煤，可实现建筑供暖（制冷）面积仅3.26万km2，而目前全国实现浅层地热能建筑供暖（制冷）面积约8.1亿m2，仍有巨大的开发潜力[13]。

为了更好地对地热资源进行合理地开发和利用，国内外相继开展了浅层地热能资源潜力的相关评价研究[14-16]。龙西亭等[17]对长沙浅层地热能开发进行了适宜性和资源潜力评价，得到该地区供暖和制冷潜力分别为4.22×105m2/km2和3.82×105m2/km2。另外，一些学者也开展了地源热泵（GSHP）节能减排效益的评价研究工作[18-19]。Islam等[20]曾对一个养殖场的供暖系统进行了实验研究，得出地源热泵相比常规供暖系统的能耗和CO2排放都有明显降低。Yin等[21]研究了美国32个住宅地源热泵系统在严寒气候下的经济效益和环境影响，结果表明，与燃气锅炉相比地源热泵可节能44.86%且减少45%的CO2排放量。李金华[22]讨论了北京地区地源热泵供暖对节能减排的贡献度，认为新增地源热泵供暖4545万m2建筑面积，则建筑领域将减少15万吨CO2排放。总体而言，针对浅层地热能资源评价和经济环境效益分析的研究还不完善，结合政府节能减排政策进行探讨的研究成果尚不多见，有必要进一步开展相关的研究工作。

上海市位于长江三角洲前缘，是我国的经济、金融、贸易、航运和科创中心。截至2021年，全市总面积约6833 km2，常住人口约2489万人，地区生产总值约43214亿元。根据上海市“十四五”规划，全市将着力推动电力、钢铁、化工等重点领域和重点用能单位节能降碳，确保在2025年前实现碳达峰，这对全国碳达峰/碳中和目标的推进和实现具有重要示范作用。本文根据现场监测和试验数据，综合分析上海市浅层地热能贮藏条件并对资源量进行估算，探讨地源热泵系统的开发潜力，根据计算分析结果评价浅层地热能开发的经济环境效益，最后讨论浅层地热能开发对上海市碳中和行动计划的可行性和贡献度。本研究对上海市浅层地热能开发利用具有一定的参考价值和借鉴意义。

1 浅层地热能赋存条件分析

将上海市全域（陆域）作为本次地热资源潜力评价的范围，在研究区内选取了28个孔径为120 mm、孔深为150 m的地埋管勘察孔（图1），并获取了相应的地层结构、土工试验数据、原始地温监测资料和原位热响应数据。

图1 研究区范围及钻孔分布Fig.1 Study area and boreholes distribution

1.1 区域地质和水文地质条件

区域地质、水文地质和地热条件决定了浅层地热能的储量和开发利用潜力。上海市域内地貌类型主要由长江冲积平原和滨海平原组成，200 m以浅深度范围内地层主要由第四系松散沉积物组成，仅西南区域局部有基岩分布。松散堆积层厚度空间分布不均，大部分区域介于76～340 m之间。其中嘉定、宝山、崇明岛等地较厚，在280～480 m之间，而西部和西南部区域较薄，为40～200 m不等。相对而言，较厚的第四系沉积物其保温性能较好。

松散沉积物的成层分布为地下水的赋存提供了有利的场所，研究区内150 m以浅地层分布有潜水含水层和第I、II、Ⅲ承压含水层，潜水水位埋深在0.5～1 m之间。上海地区浅层地热能换热井井深一般为100～150 m，而该地区150 m以浅地层分布着较厚的粉、砂性土层，有着良好的地热能传导和换热条件，适合进行地热能开发利用。

1.2 地热地质条件

地温测试钻孔实测的地温数据显示，研究区地温垂向分布分带明显，自上而下分别为变温带、恒温带和增温带。其中变温带和恒温带的层底分别在9.0～17.0 m和17.0～27.0 m之间，平均值分别为13.3 m和23.0 m。在大区域尺度上，上海位于我国南方高地温梯度分布区，地温梯度高于南方地区平均值2.4 ℃/100m[22]，研究区150 m深度范围内地层增温率在2.5～4.3 ℃/100m之间变化，平均值为3.4 ℃/100m。研究区增温带50 m、100 m和150 m深度平均地温分别为18.7 ℃、20.2 ℃和21.7 ℃。以研究区内ZK6钻孔的地温剖面为例，变温带随深度增加，地温逐渐降低，在16～24 m深度地温稳定在18.1℃左右；随着深度继续增加，地温逐渐升高，温度梯度约为3.3 ℃/100m（图2）。

图2 ZK6钻孔实测地温曲线Fig.2 Measured geothermal curve of ZK6 borehole

通过现场热响应试验可以准确获得岩土体的综合热物性参数。研究区内150 m以浅综合导热系数在1.762～2.160 W/(m·℃)，综合导热系数随着含砂率的增加而增大：当含砂率小于20%时，综合导热系数通常小于1.800 W/(m·℃)，如西部和西南部区域；当含砂率大于50%时，综合导热系数通常大于1.950 W/(m·℃)，如中部和南部区域。区内150 m以浅平均比热容为1223～1433 J/(kg·℃)，平均体积比热容为2378～2793 kJ/(m3·℃)，东部和中部的比热容较低，西南部相对较高。平均导热系数为1.547～1.925 W/(m·℃)，东部和中部的导热性能较好，而西南部相对较差。

2 浅层地热能开发利用资源潜力评估

2.1 单孔换热功率

根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225-2009），在层状分布均匀的土壤或岩石中，稳定传热条件下U形地埋管的单孔换热功率按下式计算：

式中：D为单孔换热功率，W；λ1,λ2,λ3分别为地埋管、回填料和岩土体的平均导热系数，W/(m·℃)； 为地埋管换热器长度，m；r1,r2分别为地埋管束的等效半径和等效外径，m；r3,r4分别为换热孔平均半径和换热温度影响半径，m；t1,t2分别为地埋管内流体的平均温度和原始地温，℃；

根据工程的实际应用情况，取换热孔直径为130 mm，埋管深度为150 m，地埋管管材型号为PE100DN32*2.6，换热孔中回填料的导热系数取2.4 W/(m·℃)[23-24]。根据现场热响应试验观测数据，换热温度影响半径r4取平均值1.5 m。

根据《地源热泵系统工程技术规范（2009年版）》（GB 50366-2005）相关规定，夏季工况换热器出水温度宜低于33℃，冬季工况换热器进水温度宜高于4℃。根据地质钻孔热响应试验结果和区内应用工程运行情况，地埋管内流体平均温度 夏季工况取33℃，冬季工况取6℃。

将各区域按照岩土体平均导热系数分为低值区、中值区和高值区，分别计算制冷和供暖工况的平均单孔换热功率，计算结果见表1。

表1 上海各区域地源热泵单孔换热功率Table 1 Single hole heat transfer power of GSHP in each region of Shanghai

2.2 区域换热功率

在计算单孔换热功率的基础上，按单位面积可布孔数、土地利用系数、可开发利用面积，计算各区域换热功率，其表达式如下：

式中：Dq为地源热泵区域换热功率，kW；M为计算区域面积，km2；n为单位面积可钻换热孔数；Ψ为地埋管土地利用系数；d为地埋管间距，m。

依据上海市工程建设规范《地源热泵系统工程技术规程》（DG/TJ 08-2110-2013）条文4.2.12中规定：钻孔间距宜为4～6 m，故选择埋管间距d为5 m作为计算标准。

地埋管地源热泵系统开发利用及土地利用系数的确定依据为：建设用地规模占行政面积的比例，乘以城市建设绿地率，再乘以地源热泵埋管比例。根据《上海市城市总体规划（2017-2035年）》，至2035年全市建设用地控制在3200 km2以内，占全市土地总面积的46.8%。另外，城市建设绿地率规定新区不小于35%，旧城区不小于25%；地埋管地源热泵埋管比例新区取70%，旧城区取50%。由此可计算得到各区域的土地利用系数。

根据建设用地规划、土地利用系数以及单孔换热功率进行分区计算，研究区的换热功率计算结果见表2。

表2 研究区地源热泵区域换热功率Table 2 Regional heat transfer power of GSHP in the study area

2.3 地源热泵系统资源潜力分析

采用单位面积浅层地热能开采量可提供制冷和供暖需求的建筑面积来表示资源潜力。利用研究区地源热泵夏季制冷和冬季供暖换热功率，评价给定建筑物冷热负荷指标下的资源开发利用潜力。计算公式如下：

式中：Dzq为地源热泵资源潜力，m2/km2；qc,qh分别为夏季制冷和冬季供暖负荷，W/m2；EER,CPO分别为地源热泵机组的制冷能效比和供热性能系数。

根据上海市地源热泵应用项目的统计结果，该地区制冷性能系数区间为3.60～6.10，供暖性能系数为3.20～5.00[25]。因此，计算中制冷性能系数和供暖性能系数分别取平均值4.70和3.94。

根据《实用供热空调设计手册》确定制冷和供暖负荷，获取各类建筑的单位建筑面积冷热负荷指标。按照公建60%、民建40%的比例划分研究区的建筑物类型来计算冷、热负荷，可得研究区建筑物夏季制冷平均负荷为121.2 W/m2，冬季供暖平均负荷为67.8 W/m2。

计算可得，考虑土地利用系数时，研究区地源热泵夏季制冷可供建筑面积为94745万m2，冬季供暖可供建筑面积为280636万m2；地埋管换热方式平均资源潜力夏季制冷工况为300026 m2/km2，冬季供暖工况为888679 m2/km2，计算结果详见表3。

表3 地源热泵可供建筑面积和资源潜力评估Table 3 Assessment of available floor area and resource potential for GSHP

3 浅层地热能开发利用效益分析

浅层地热能开发利用效益是将地源热泵系统运行性能与常规空调和供暖系统对比，从而对浅层地热能开发利用的经济性、节能性和环保性进行评价。本文中常规空调系统指夏季制冷采用水冷冷水机组，冬季供暖采用燃煤锅炉。

3.1 节能效益分析

首先通过估算研究区不同建筑类型全年累计冷热负荷，计算出地源热泵系统与常规供暖、制冷方式的节能量，分析每平方米地源热泵系统应用面积的节能效益；然后根据研究区浅层地热能开发利用潜力，设置不同的开采模式，对研究区浅层地热能开发利用的节能量进行分析评价。

（1）研究区建筑全年累计冷热负荷

根据上海地区不同类型建筑物空调冷热负荷指标和设计参数，依据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）所规定的各个负荷段所占的运行时间比例，按公式（6）和（7）分别计算办公、宾馆、商场、医疗和学校5种公共建筑的夏季制冷季、冬季供暖季累计负荷。

式中：Qc,Qh分别为单位空调面积累计冷负荷和热负荷，kW·h/m2；tc,th分别为夏季制冷和冬季供暖的运行时间，h；ac,ah分别为冷负荷和热负荷调整系数，均取0.52。

由于住宅建筑空调使用情况个体差异较大，所以其累计冷热负荷参照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JDJ 134-2010）相关计算：住宅建筑夏季运行时间为6月15日至8月31日，每天运行12小时；冬季运行时间为12月1日至次年2月28日，每天运行12小时。

根据不同建筑类型冷热负荷指标和运行时间估算全年累计冷热负荷，估算结果详见表4。可以看到，研究区不同建筑类型的全年累计冷热负荷差异较大，分别在38.4～178.5 kW·h/m2和28.1～75.3 kW·h/m2之间。

（2）地源热泵系统节能量计算

由于研究区浅层地热能应用建筑类型广泛，应用规模不一，不同建筑类型和运行模式的地源热泵系统节能率也有所不同。根据对研究区浅层地热能应用情况的调研，办公建筑项目数量较多、应用面积最大，且建筑累计冷热负荷在各类建筑中居中。因此，以办公建筑为例，计算研究区浅层地热能开发利用的节能效益，参见表4。

表4 不同建筑类型全年累计冷热负荷估算Table 4 Annual cumulative cooling and heating load estimation results of different building types

上海为夏热冬冷地区，冬夏季地源热泵系统的吸排热量不平衡。为了保护地质环境，往往以冬季供暖工况设计地源热泵系统地埋管换热器，夏季采用辅助冷源进行调峰，使冬季向地下取热量与夏季向地下储热量基本平衡。因此计算节能时，以冬季负荷为依据，对夏季负荷进行修正，保证冬夏季吸排热量平衡。修正后的办公建筑夏季累计冷负荷为20.3 kW·h/m2。地源热泵系统节能量计算参照公式（8）～（12）。

式中：Qr为修正后的建筑累计冷负荷，kW·h/m2；ΔE为地源热泵系统全年节能量，kgce/m2；ΔEc, ΔEh分别为制冷季和供暖季节能量，kgce/m2；ΔP为全年节约电量，kW·h/m2；εc,εh分别为地源热泵系统的制冷和供暖能效比；εt为常规空调系统制冷能效比；ηt为燃煤锅炉运行效率；qbm为标准煤热值，取29307 kJ/kg；D为每度电折合所耗标准煤量，取0.327 kgce/ kW·h；

根据《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ 08-2162-2015），εt取2.6，ηt取0.7；根据已建地源热泵系统的性能测试，εc取3.75，εh取3.35。

经计算，每平方米办公建筑地源热泵系统制夏季制冷和冬季供暖的节能量分别为2.40 kW·h和8.71 kW·h，折合标准煤分别为0.78 kg和2.85 kg，全年节能量合计标准煤3.63 kg。地源热泵系统节能量计算结果见表5。

表5 地源热泵系统节能量分析Table 5 GSHP system energy saving analysis

根据研究区浅层地热能条件和冷热负荷需求，为了使冬季向地下取热量与夏季向地下储热量基本平衡，要求冬夏两季均以供暖工况设计地埋管换热器，夏季再采用辅助冷源进行调峰。因此，采用浅层地热能冬季供暖可供面积进行节能量的估算。经估算，研究区浅层地热能开采率为10%、20%、40%、80%和100%时全区每年可节约能源折合标准煤分别为203.7、407.5、611.2、815.0和1018.7万吨，节能效益十分可观。

3.2 环境效益分析

浅层地热能开发利用的环境效益从CO2、SO2和粉尘减排量3个方面进行分析。根据《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ 08-2162-2015），利用前面计算的全年节能量按照公式（13）～（15）分别对CO2、SO2和粉尘的减排量进行估算。

式中：QCO2,QSO2,Qfc分别为CO2、SO2和粉尘减排量，t/yr；Qs为常规能源替代量，tce/yr；VCO2,VSO2,Vfc分别为CO2、SO2和粉尘的排放强度，分别取2.47 t/tce、0.02 t/tce和0.01 t/tce。

经过估算，研究区浅层地热能开采强度为100%时，全年可实现CO2、SO2和粉尘减排量分别为2516.2、20.4和10.2万吨，减排效果十分显著。计算结果详见表6。

表6 浅层地热能利用减排效益估算结果Table 6 Estimation of emission reduction of shallow geothermal energy utilization

4 浅层地热能开发对上海实现碳中和的意义

根据《上海市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，上海将制定全市碳排放达峰行动计划，着力推动电力、钢铁、化工等重点领域和重点用能单位节能降碳，确保在2025年前实现碳排放达峰。《上海市城市总体规划（2017-2035年）》中提出了具体目标：全市碳排放总量和人均碳排放于2025年达到峰值，至2035年控制碳排放总量较峰值减少5%左右。

2021年，上海市CO2排放量约为2亿吨，年排放增量控制在900万吨以内。其中来自工业、交通和建筑3大领域的碳排放分别约占45%、30%和25%，即建筑领域当前年碳排放量约为5000万吨。而《上海市绿色建筑“十四五”规划》明确提出城乡建设碳达峰行动，至2025年建筑领域碳排放量控制在4500万吨左右，因此，到2025年建筑领域CO2减排指标为500万吨。根据上海市每年的房屋竣工面积、可再生能源占建筑能耗比例、地热能可供建筑面积来计算浅层地热能开发利用对减少碳排放的贡献量。浅层地热能开发利用对CO2减排贡献量，其估算结果详见表7。

表7 浅层地热能利用对CO2减排的贡献量估算Table 7 Estimation of the contribution of shallow geothermal energy utilization to CO2 emission reduction

结果显示，到2025年，地热能占可再生能源在建筑中使用比例为20%、40%和60%时，可实现CO2减排量分别为39.8、79.7和119.5万吨，对全市CO2减排目标的贡献度分别为8.0%、15.9%和23.9%。由此可见，浅层地热能的开发利用有助于上海市调整能源结构、实现节能减排以及碳达峰/碳中和的行动目标。

需要说明的是，由于经济社会发展形势变化较大，相关统计数据较难预测，故本研究仅估算至2025年的结果。若要得到2025年之后的CO2减排贡献量，可在获取可靠的数据后再按此方法进行估算。

5 结论

（1）根据上海各区建设用地规划确定土地利用系数，计算得到研究区夏季制冷和冬季供暖的区域换热总功率分别为1.39×108kW和1.42×108kW。按公建60%、民建40%的建筑类型比例计算制冷供暖负荷，得到地源热泵夏季制冷可供建筑面积为94745万m2，冬季供暖可供建筑面积为280636万m2；地埋管换热方式平均资源潜力夏季制冷工况为300026 m2/km2，冬季供暖工况为888679 m2/km2。

（2）从经济与环境效益角度分析，以办公建筑为代表的上海市各类建筑地源热泵系统夏季制冷和冬季供暖的节能量分别为2.40 kW·h/m2和8.71 kW·h/m2，折合标准煤分别为0.78 kg/m2和2.85 kg/m2，全年节能量合计标准煤3.63 kg/m2。研究区浅层地热能开采强度为100%时，全年可节约能源约合1018.7万吨标准煤，可实现CO2、SO2和粉尘减排量分别为2516.2、20.4和10.2万吨，节能减排效果显著。

（3）根据上海市碳达峰行动计划，到2025年，地热能占可再生能源在建筑中使用比例为20%、40%和60%时，可实现CO2减排量分别为39.8、79.7和119.5万吨，对CO2减排目标的贡献度分别为8.0%、15.9%和23.9%。说明浅层地热能开发利用对实现碳达峰/碳中和目标是可行且效益显著。