才文韜，王小清

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

能源是當今社會發(fā)展的三大支柱之一，影響著經(jīng)濟、環(huán)境、人民生活水平等全社會的發(fā)展。當前我國能源結構不合理，過分依賴石油、煤炭和天然氣等一次性能源，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了負面影響，嚴重制約了我國社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。地熱能是一種清潔環(huán)保的新型能源，發(fā)展?jié)摿薮蟆８鶕?jù)我國《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》目標，到2020年，我國地熱供暖/制冷面積將累計達16億m2，地熱能利用總量相當于替代化石能源7000萬噸標準煤，減排二氧化碳1.7億噸。地熱能開發(fā)利用對我國調(diào)整能源結構、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義[1]。目前，上海地區(qū)地熱能資源利用類型主要為淺層地熱能，淺層地熱能作為地熱能中的一類[2]，具有分布廣泛、總量豐富、方便利用等特點，主要通過地源熱泵技術用于建筑物的制冷與供暖，可有效替代或減少建筑物對常規(guī)能源的使用量[3-4]。城市規(guī)劃是城市發(fā)展、建設、管理的基本依據(jù)，指導城市空間布局、城市規(guī)模、人居環(huán)境、交通基礎設施等城市建設的各方面工作。并且城市中的各類生產(chǎn)活動、交通運輸以及人民生活都伴隨能源的消耗，城市規(guī)劃實施過程中的各個階段更是離不開能源。國土資源部2017年9月發(fā)布的《關于加強城市地質(zhì)工作的指導意見》（國土資發(fā)[2017]104號）中明確指出“城市地區(qū)地熱和淺層地溫能資源開發(fā)，應在全面評估基礎上與城市土地利用總體規(guī)劃和城市規(guī)劃相銜接”。所以，淺層地熱能開發(fā)利用理應與城市規(guī)劃相結合，與城市的土地開發(fā)、工程建設、交通運輸、環(huán)境保護等協(xié)同發(fā)展，在城市發(fā)展中合理利用淺層地熱能，在淺層地熱能開發(fā)利用中促進城市發(fā)展，實現(xiàn)淺層地熱能的可持續(xù)利用。

1 開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀60年代上海紡織廠利用深井水“冬灌夏用”為紡織車間制冷，開啟了上海市對淺層地熱能利用的先河。1989年上海市建成了國內(nèi)第一個地源熱泵項目，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)為辦公樓制冷、供暖。近年來，隨著技術的不斷革新，淺層地熱能發(fā)展迅速，截至2017年底，上海市淺層地熱能應用面積總量約為1200萬m2。開發(fā)利用項目類型主要以公共建筑和居住建筑為主，其中公共建筑應用面積占67%，居住建筑應用面積占28%。開發(fā)利用形式以地埋管換熱方式為主，大多為小型建筑分布在周邊城區(qū)。

淺層地熱能的發(fā)展離不開規(guī)范的技術要求和科學的管理手段，在國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范的基礎上，結合上海市的應用實踐，出臺了上海市工程建設規(guī)范《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)程》[5]；研究并起草了《上海市淺層地熱能開發(fā)利用管理暫行規(guī)定》，明確了管理主體、任務以及開發(fā)利用全過程管理要求。

雖然近年來上海市淺層地熱能開發(fā)利用有了較大的發(fā)展，但利用規(guī)模和速度與上海市社會發(fā)展的需求還有較大的差距。所以，仍需加強上海市淺層地熱能管理，協(xié)調(diào)淺層地熱能開發(fā)利用與城市空間規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境保護的關系，合理開發(fā)和有效保護淺層地熱能資源，提高淺層地熱能建筑應用項目比例和規(guī)模，促進上海市淺層地熱能可持續(xù)開發(fā)利用。

2 分區(qū)管理與分級利用

淺層地熱能開發(fā)利用受資源賦存條件、換熱器設置、建筑物制冷供暖需求特征等綜合影響[6]，與城市的總體規(guī)劃更是有著聯(lián)系緊密。根據(jù)上海地區(qū)淺層地熱能資源賦存條件和城市總體規(guī)劃[7]，在區(qū)域資源調(diào)查的基礎上，對淺層地熱能資源開發(fā)利用進行區(qū)域性劃分，再結合控制性詳細規(guī)劃及土地利用規(guī)劃，對淺層地熱能開發(fā)利用應用建筑進行綜合等級評價，給出分級利用建議。

2.1 分區(qū)原則與劃分體系

2.1.1 分區(qū)原則

（1）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，全面兼顧。把握好淺層地熱能開發(fā)利用管理與城市發(fā)展、與城市總體規(guī)劃建設相銜接的關系，開發(fā)利用體系要與其它各制度體系相互協(xié)調(diào)，有時要同步進行，有時要依次遞進，有時要互為補充。

（2）因地制宜，突出重點。以周密的前期調(diào)查為基礎，突出資源條件好、資源需求旺盛的區(qū)域，作為開發(fā)利用體系在區(qū)域空間上的重點。將服務于建筑物、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施供暖制冷為重點利用方式，滿足新型城鎮(zhèn)化對淺層地熱能行業(yè)提出的更高要求。

（3）保護優(yōu)先，合理開發(fā)。堅持對生態(tài)空間和地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)先保護，在環(huán)境可承受范圍內(nèi)，科學、合理進行開發(fā)利用，防止無序、過度開發(fā)，防止對生態(tài)環(huán)境造成破壞，保障淺層地熱能清潔開發(fā)和持續(xù)利用。

2.1.2 劃分體系

（1）區(qū)劃類別。區(qū)劃分為重點開發(fā)利用區(qū)、一般開發(fā)利用區(qū)和禁止開發(fā)利用區(qū)3個類別。

（2）要素和指標。包括淺層地熱資源賦存條件、生態(tài)空間布局、城鎮(zhèn)空間布局和地下空間布局四個方面的要素和指標，詳見表1。

（3）劃分策略。重點開發(fā)利用區(qū)的劃分需同時滿足資源賦存條件、城鎮(zhèn)空間等要素指標；一般和禁止開發(fā)利用區(qū)只需滿足資源賦存條件、生態(tài)空間、城鎮(zhèn)空間和地下空間要素其中一條指標。其中城鎮(zhèn)空間指標信息來源于《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》。

表1 劃分要素指標Table 1 Dividing element indicators

2.2 分級利用

2.2.1評價方法

以地塊為評價單元，采用變異系數(shù)法進行分級評價，根據(jù)均方差、變異系數(shù)確定各評價指標的權重，根據(jù)各指標權重，對各項指標分值進行加權平均后匯總得到綜合評價指數(shù)，再判斷各個對象的優(yōu)劣程度，進而進行等級劃分，完成工作區(qū)淺層地熱能建筑應用綜合等級評價。地塊的綜合評價指數(shù)越高，淺層地熱能開發(fā)利用優(yōu)先級別越高。

2.2.2 指標選取

（1）建設用地類型單項指標評價

建設用地性質(zhì)決定建筑類型，建筑類型決定了空調(diào)負荷要求、運行特性，也決定了不同的節(jié)能效果。根據(jù)不同建筑類型，結合本市淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查的結果，確定建設用地類單項指標評價標準。

（2）建筑容量單項指標評價

淺層地熱能資源需求與單位建設用地建筑容量的大小有關。單位建設用地建筑容量一般包括建筑密度和建筑容積率，本評價指標主要選擇建筑容積率。容積率可以衡量建設用地使用強度，同時也決定了建筑空調(diào)的總用能量，同一地塊容積率增加時建筑面積增加，用能量也相應增加。

（3）淺層地熱能換熱能力單項指標評價

淺層地熱能換熱能力反映建設用地淺層地熱能資源潛力的大小。地層巖性、地層結構決定了巖土體的熱傳導性和換熱效率。巖土的導熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)越大巖土的導熱能力越強，地層溫度恢復能力越強，地埋管的換熱效率也越高。

3 應用案例

選擇位于上海市西南部松江區(qū)和金山區(qū)，根據(jù)兩區(qū)的淺層地熱能資源賦存條件和相關規(guī)劃，進行淺層地熱能資源開發(fā)利用進行區(qū)域性劃分，松江區(qū)石湖蕩鎮(zhèn)已有控制性詳細規(guī)劃，選其進行分級評價，再對各區(qū)提出管理與保護建議，指引該區(qū)域淺層地熱能實際開發(fā)利用工作。

3.1 分區(qū)結果

3.1.1 重點開發(fā)利用區(qū)

分布面積約365 km2，主要為新城（松江新城、金山新城）、新市鎮(zhèn)（1個核心鎮(zhèn)：金山衛(wèi)鎮(zhèn)，9個中心鎮(zhèn)石湖蕩鎮(zhèn)、呂巷鎮(zhèn)、葉榭鎮(zhèn)等）、鄉(xiāng)村等規(guī)劃城市集中建設區(qū)以及城市開發(fā)邊界外的建設用地。區(qū)內(nèi)淺層地熱能賦存條件好，資源利用潛力大；資源需求旺盛，能夠形成集中連片開發(fā)利用，規(guī)模效益明顯。

3.1.2 一般開發(fā)利用區(qū)

分布面積約844 km2，主要為以非城市建設用地為主的特大城市城郊邊緣區(qū)，即工作區(qū)內(nèi)各鎮(zhèn)的非集中建設區(qū)域，這些區(qū)域包括永久基本農(nóng)田、林地、濕地、湖泊河道、野生動物棲息地等生態(tài)保護區(qū)域及飲用水水源二級保護區(qū)、近郊綠環(huán)、生態(tài)間隔帶、生態(tài)走廊等構成的第三類生態(tài)空間。工作區(qū)內(nèi)主要為新城以外的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施覆蓋地區(qū)，建筑密度小，容積率低，該區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用以點狀和小規(guī)模為主。

3.1.3 禁止開發(fā)利用區(qū)

分布面積約7.8 km2，主要為松江區(qū)區(qū)政府所在地及金山區(qū)區(qū)政府、金山衛(wèi)站所在地，屬于公共活動中心（城市中心、城市副中心、地區(qū)中心）、交通樞紐地區(qū)（大型綜合交通換乘樞紐、兩線以上軌道交通換乘樞紐）等組成的地下空間重點開發(fā)地區(qū)，該區(qū)禁止淺層地熱能開發(fā)利用。分區(qū)結果如圖1。

圖1 淺層地熱能開發(fā)利用區(qū)劃圖Fig.1 Zoning of shallow geothermal energy development and utilization

3.2 分級結果

整理分析石湖蕩鎮(zhèn)區(qū)域城市建設用地類型、建筑容積率和區(qū)域換熱功率等數(shù)據(jù)，根據(jù)評價方法，對工作區(qū)各指標的變異系數(shù)進行計算（表2）。

指標的變異系數(shù)是刻畫指標分辨信息的能力，即指標的區(qū)分度變異系數(shù)越大，表明該指標在各個決策單元中的分布變異性越大，指標的信息分辨能力就越強；反之則越弱，應予以剔除。

根據(jù)相關計算公式，各項指標的權重計算結果見表2。

表2 各指標變異系數(shù)與指標權重計算結果Table 2 Calculations of variation coefficient and index weight

對工作區(qū)建設用地地塊的用地類型、容積率、換熱能力三項指標進行參數(shù)賦值后，計算各項指標加權平均值，劃分地塊等級如表3：

根據(jù)等級劃分，繪制石湖蕩鎮(zhèn)淺層地熱能建筑應用分級利用方案圖，見圖2。按照上述等級劃分，最終統(tǒng)計出分級區(qū)域面積及占比：一級區(qū)面積7.43萬m2，占15.96%；二級區(qū)面積28.77萬m2，占61.81%；三級區(qū)面積10.35萬m2，占22.23%。以二級區(qū)占比最大。

3.3 管理與保護

3.3.1 管理措施

表3 各地塊分級表Table 3 Each parcels classification table

圖2 淺層地熱能建筑應用分級利用方案圖Fig.2 Grading utilization scheme of shallow geothermal energy architectural application

（1）分區(qū)管理

實行分區(qū)管理淺層地熱能開發(fā)利用。對于重點開發(fā)利用區(qū)，鼓勵公共建筑、國家機關辦公建筑、學校以及低密度獨棟居住建筑優(yōu)先利用淺層地熱能；對于一般開發(fā)利用區(qū)，項目前期宜開展可行性論證，合理設置利用規(guī)模和地下?lián)Q熱器空間位置；對于禁止開發(fā)利用區(qū)，禁止淺層地熱能在該區(qū)域開發(fā)利用。

（2）與法定規(guī)劃和土地管理銜接

在資源調(diào)查評價基礎上，結合相關法定規(guī)劃控制指標，對淺層地熱能建筑應用進行綜合評價，編制重點區(qū)域淺層地熱能開發(fā)利用導則；建立淺層地熱能建筑應用綜合評價指標，分級引導淺層地熱能開發(fā)利用。在土地出讓時，位于重點和一般開發(fā)利用區(qū)的土地，在核定規(guī)劃條件時，依據(jù)分區(qū)規(guī)劃一并提出淺層地熱能開發(fā)利用要求。

（3）開發(fā)利用項目管理

淺層地熱能項目實施全過程管理，項目實施前，應按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)程》開展場地勘察工作，結合場地勘察和項目需求編制開發(fā)利用方案；現(xiàn)場實施中，地下?lián)Q熱器、工程鉆孔等地下工程的設計、施工、監(jiān)理、驗收，應當符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)程》及其他相關標準、規(guī)范和技術規(guī)程；實施后，應按照《上海市地質(zhì)資料管理辦法》匯交地質(zhì)資料。

3.3.2 保護措施

建立“區(qū)域+應用項目”淺層地熱能資源監(jiān)測體系，對各典型區(qū)域地層原始地溫及淺層地熱開發(fā)利用影響區(qū)域溫度場的狀況進行監(jiān)測；對開發(fā)利用項目熱泵系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)和地質(zhì)環(huán)境進行監(jiān)測。

4 結語

“在保護中開發(fā)、在開發(fā)中保護”是淺層地熱能資源開發(fā)利用的基本原則，淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用需要有效的保護措施和合理的管理方法，開展動態(tài)監(jiān)測是協(xié)調(diào)資源開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護的重要手段，進行分區(qū)引導、建立與規(guī)劃和土地管理銜接機制、實施項目全過程管理是協(xié)調(diào)資源開發(fā)利用與資源管理的重要途徑。上海多年來在技術方法及管理政策方面的實踐與探索，可為國內(nèi)外的淺層地熱能開發(fā)利用提供借鑒與指導。