周念清，孔令熙，王小清

（1. 同濟(jì)大學(xué)水利工程系，上海 200092；2. 上海淺層地?zé)崮芄こ碳夹g(shù)研究中心，上海 200072）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和化石能源的廣泛使用，CO2排放量急劇增加，導(dǎo)致全球變暖和環(huán)境惡化。建筑業(yè)在人類生產(chǎn)活動(dòng)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(guó)作為全球最大的碳排放國(guó)，于2020年提出在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，所以在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)完成節(jié)能減碳任務(wù)是政府目前的工作重點(diǎn)[2-3]。采用綠色可再生能源取代傳統(tǒng)能源如化石燃料，被認(rèn)為是減少溫室氣體排放和全球變暖效應(yīng)的有效途徑[4-5]。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N新型綠色可再生能源，具有埋藏深度淺、循環(huán)再生速度快、分布較為廣泛、高效節(jié)能等特點(diǎn)，適合在各種建筑類型中進(jìn)行推廣應(yīng)用[6-7]。淺層地?zé)崮艿睦梅绞街饕械芈窆艿卦礋岜谩⒌叵滤礋岜煤偷乇硭礋岜玫?，其中地埋管地源熱泵在我?guó)應(yīng)用最廣[8]。半個(gè)多世紀(jì)以來，地源熱泵技術(shù)不斷發(fā)展成熟，在美國(guó)和北歐的應(yīng)用已經(jīng)十分普及[9-10]。近20年來我國(guó)也相繼出臺(tái)相關(guān)政策文件，大力推進(jìn)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用[11]，目前我國(guó)地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量和能源使用量已躍居世界第一[12]。全國(guó)336個(gè)地級(jí)市已探明的淺層地?zé)崮苜Y源量約為1.11×1017kJ/℃，年可采資源量相當(dāng)于7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可實(shí)現(xiàn)建筑供暖（制冷）面積僅3.26萬(wàn)km2，而目前全國(guó)實(shí)現(xiàn)淺層地?zé)崮芙ㄖ┡ㄖ评洌┟娣e約8.1億m2，仍有巨大的開發(fā)潛力[13]。

為了更好地對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行合理地開發(fā)和利用，國(guó)內(nèi)外相繼開展了淺層地?zé)崮苜Y源潛力的相關(guān)評(píng)價(jià)研究[14-16]。龍西亭等[17]對(duì)長(zhǎng)沙淺層地?zé)崮荛_發(fā)進(jìn)行了適宜性和資源潛力評(píng)價(jià)，得到該地區(qū)供暖和制冷潛力分別為4.22×105m2/km2和3.82×105m2/km2。另外，一些學(xué)者也開展了地源熱泵（GSHP）節(jié)能減排效益的評(píng)價(jià)研究工作[18-19]。Islam等[20]曾對(duì)一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出地源熱泵相比常規(guī)供暖系統(tǒng)的能耗和CO2排放都有明顯降低。Yin等[21]研究了美國(guó)32個(gè)住宅地源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒氣候下的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響，結(jié)果表明，與燃?xì)忮仩t相比地源熱泵可節(jié)能44.86%且減少45%的CO2排放量。李金華[22]討論了北京地區(qū)地源熱泵供暖對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)度，認(rèn)為新增地源熱泵供暖4545萬(wàn)m2建筑面積，則建筑領(lǐng)域?qū)p少15萬(wàn)噸CO2排放?？傮w而言，針對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析的研究還不完善，結(jié)合政府節(jié)能減排政策進(jìn)行探討的研究成果尚不多見，有必要進(jìn)一步開展相關(guān)的研究工作。

上海市位于長(zhǎng)江三角洲前緣，是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易、航運(yùn)和科創(chuàng)中心。截至2021年，全市總面積約6833 km2，常住人口約2489萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值約43214億元。根據(jù)上海市“十四五”規(guī)劃，全市將著力推動(dòng)電力、鋼鐵、化工等重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)用能單位節(jié)能降碳，確保在2025年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這對(duì)全國(guó)碳達(dá)峰/碳中和目標(biāo)的推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)具有重要示范作用。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析上海市淺層地?zé)崮苜A藏條件并對(duì)資源量進(jìn)行估算，探討地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)潛力，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果評(píng)價(jià)淺層地?zé)崮荛_發(fā)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，最后討論淺層地?zé)崮荛_發(fā)對(duì)上海市碳中和行動(dòng)計(jì)劃的可行性和貢獻(xiàn)度。本研究對(duì)上海市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 淺層地?zé)崮苜x存條件分析

將上海市全域（陸域）作為本次地?zé)豳Y源潛力評(píng)價(jià)的范圍，在研究區(qū)內(nèi)選取了28個(gè)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(yīng)的地層結(jié)構(gòu)、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)、原始地溫監(jiān)測(cè)資料和原位熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。

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

1.1 區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)和地?zé)釛l件決定了淺層地?zé)崮艿膬?chǔ)量和開發(fā)利用潛力。上海市域內(nèi)地貌類型主要由長(zhǎng)江沖積平原和濱海平原組成，200 m以淺深度范圍內(nèi)地層主要由第四系松散沉積物組成，僅西南區(qū)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(qū)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(qū)域較薄，為40～200 m不等。相對(duì)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(chǎng)所，研究區(qū)內(nèi)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(qū)淺層地?zé)崮軗Q熱井井深一般為100～150 m，而該地區(qū)150 m以淺地層分布著較厚的粉、砂性土層，有著良好的地?zé)崮軅鲗?dǎo)和換熱條件，適合進(jìn)行地?zé)崮荛_發(fā)利用。

1.2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

地溫測(cè)試鉆孔實(shí)測(cè)的地溫?cái)?shù)據(jù)顯示，研究區(qū)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(qū)域尺度上，上海位于我國(guó)南方高地溫梯度分布區(qū)，地溫梯度高于南方地區(qū)平均值2.4 ℃/100m[22]，研究區(qū)150 m深度范圍內(nèi)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(qū)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(qū)內(nèi)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(wěn)定在18.1℃左右；隨著深度繼續(xù)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(shí)測(cè)地溫曲線Fig.2 Measured geothermal curve of ZK6 borehole

通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)可以準(zhǔn)確獲得巖土體的綜合熱物性參數(shù)。研究區(qū)內(nèi)150 m以淺綜合導(dǎo)熱系數(shù)在1.762～2.160 W/(m·℃)，綜合導(dǎo)熱系數(shù)隨著含砂率的增加而增大：當(dāng)含砂率小于20%時(shí)，綜合導(dǎo)熱系數(shù)通常小于1.800 W/(m·℃)，如西部和西南部區(qū)域；當(dāng)含砂率大于50%時(shí)，綜合導(dǎo)熱系數(shù)通常大于1.950 W/(m·℃)，如中部和南部區(qū)域。區(qū)內(nèi)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(duì)較高。平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.547～1.925 W/(m·℃)，東部和中部的導(dǎo)熱性能較好，而西南部相對(duì)較差。

2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用資源潛力評(píng)估

2.1 單孔換熱功率

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0225-2009），在層狀分布均勻的土壤或巖石中，穩(wěn)定傳熱條件下U形地埋管的單孔換熱功率按下式計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)； 為地埋管換熱器長(zhǎng)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(nèi)流體的平均溫度和原始地溫，℃；

根據(jù)工程的實(shí)際應(yīng)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(hào)為PE100DN32*2.6，換熱孔中回填料的導(dǎo)熱系數(shù)取2.4 W/(m·℃)[23-24]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，換熱溫度影響半徑r4取平均值1.5 m。

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（2009年版）》（GB 50366-2005）相關(guān)規(guī)定，夏季工況換熱器出水溫度宜低于33℃，冬季工況換熱器進(jìn)水溫度宜高于4℃。根據(jù)地質(zhì)鉆孔熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果和區(qū)內(nèi)應(yīng)用工程運(yùn)行情況，地埋管內(nèi)流體平均溫度 夏季工況取33℃，冬季工況取6℃。

將各區(qū)域按照巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)分為低值區(qū)、中值區(qū)和高值區(qū)，分別計(jì)算制冷和供暖工況的平均單孔換熱功率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 上海各區(qū)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(qū)域換熱功率

在計(jì)算單孔換熱功率的基礎(chǔ)上，按單位面積可布孔數(shù)、土地利用系數(shù)、可開發(fā)利用面積，計(jì)算各區(qū)域換熱功率，其表達(dá)式如下：

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

依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2110-2013）條文4.2.12中規(guī)定：鉆孔間距宜為4～6 m，故選擇埋管間距d為5 m作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用及土地利用系數(shù)的確定依據(jù)為：建設(shè)用地規(guī)模占行政面積的比例，乘以城市建設(shè)綠地率，再乘以地源熱泵埋管比例。根據(jù)《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》，至2035年全市建設(shè)用地控制在3200 km2以內(nèi)，占全市土地總面積的46.8%。另外，城市建設(shè)綠地率規(guī)定新區(qū)不小于35%，舊城區(qū)不小于25%；地埋管地源熱泵埋管比例新區(qū)取70%，舊城區(qū)取50%。由此可計(jì)算得到各區(qū)域的土地利用系數(shù)。

根據(jù)建設(shè)用地規(guī)劃、土地利用系數(shù)以及單孔換熱功率進(jìn)行分區(qū)計(jì)算，研究區(qū)的換熱功率計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)地源熱泵區(qū)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(tǒng)資源潛力分析

采用單位面積淺層地?zé)崮荛_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(qū)地源熱泵夏季制冷和冬季供暖換熱功率，評(píng)價(jià)給定建筑物冷熱負(fù)荷指標(biāo)下的資源開發(fā)利用潛力。計(jì)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(fù)荷，W/m2；EER,CPO分別為地源熱泵機(jī)組的制冷能效比和供熱性能系數(shù)。

根據(jù)上海市地源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該地區(qū)制冷性能系數(shù)區(qū)間為3.60～6.10，供暖性能系數(shù)為3.20～5.00[25]。因此，計(jì)算中制冷性能系數(shù)和供暖性能系數(shù)分別取平均值4.70和3.94。

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定制冷和供暖負(fù)荷，獲取各類建筑的單位建筑面積冷熱負(fù)荷指標(biāo)。按照公建60%、民建40%的比例劃分研究區(qū)的建筑物類型來計(jì)算冷、熱負(fù)荷，可得研究區(qū)建筑物夏季制冷平均負(fù)荷為121.2 W/m2，冬季供暖平均負(fù)荷為67.8 W/m2。

計(jì)算可得，考慮土地利用系數(shù)時(shí)，研究區(qū)地源熱泵夏季制冷可供建筑面積為94745萬(wàn)m2，冬季供暖可供建筑面積為280636萬(wàn)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(jì)算結(jié)果詳見表3。

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

3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用效益分析

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用效益是將地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能與常規(guī)空調(diào)和供暖系統(tǒng)對(duì)比，從而對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文中常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)指夏季制冷采用水冷冷水機(jī)組，冬季供暖采用燃煤鍋爐。

3.1 節(jié)能效益分析

首先通過估算研究區(qū)不同建筑類型全年累計(jì)冷熱負(fù)荷，計(jì)算出地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)供暖、制冷方式的節(jié)能量，分析每平方米地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積的節(jié)能效益；然后根據(jù)研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力，設(shè)置不同的開采模式，對(duì)研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的節(jié)能量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

（1）研究區(qū)建筑全年累計(jì)冷熱負(fù)荷

根據(jù)上海地區(qū)不同類型建筑物空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）所規(guī)定的各個(gè)負(fù)荷段所占的運(yùn)行時(shí)間比例，按公式（6）和（7）分別計(jì)算辦公、賓館、商場(chǎng)、醫(yī)療和學(xué)校5種公共建筑的夏季制冷季、冬季供暖季累計(jì)負(fù)荷。

式中：Qc,Qh分別為單位空調(diào)面積累計(jì)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，kW·h/m2；tc,th分別為夏季制冷和冬季供暖的運(yùn)行時(shí)間，h；ac,ah分別為冷負(fù)荷和熱負(fù)荷調(diào)整系數(shù)，均取0.52。

由于住宅建筑空調(diào)使用情況個(gè)體差異較大，所以其累計(jì)冷熱負(fù)荷參照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JDJ 134-2010）相關(guān)計(jì)算：住宅建筑夏季運(yùn)行時(shí)間為6月15日至8月31日，每天運(yùn)行12小時(shí)；冬季運(yùn)行時(shí)間為12月1日至次年2月28日，每天運(yùn)行12小時(shí)。

根據(jù)不同建筑類型冷熱負(fù)荷指標(biāo)和運(yùn)行時(shí)間估算全年累計(jì)冷熱負(fù)荷，估算結(jié)果詳見表4?？梢钥吹?，研究區(qū)不同建筑類型的全年累計(jì)冷熱負(fù)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(tǒng)節(jié)能量計(jì)算

由于研究區(qū)淺層地?zé)崮軕?yīng)用建筑類型廣泛，應(yīng)用規(guī)模不一，不同建筑類型和運(yùn)行模式的地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率也有所不同。根據(jù)對(duì)研究區(qū)淺層地?zé)崮軕?yīng)用情況的調(diào)研，辦公建筑項(xiàng)目數(shù)量較多、應(yīng)用面積最大，且建筑累計(jì)冷熱負(fù)荷在各類建筑中居中。因此，以辦公建筑為例，計(jì)算研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的節(jié)能效益，參見表4。

表4 不同建筑類型全年累計(jì)冷熱負(fù)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(qū)，冬夏季地源熱泵系統(tǒng)的吸排熱量不平衡。為了保護(hù)地質(zhì)環(huán)境，往往以冬季供暖工況設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器，夏季采用輔助冷源進(jìn)行調(diào)峰，使冬季向地下取熱量與夏季向地下儲(chǔ)熱量基本平衡。因此計(jì)算節(jié)能時(shí)，以冬季負(fù)荷為依據(jù)，對(duì)夏季負(fù)荷進(jìn)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(jì)冷負(fù)荷為20.3 kW·h/m2。地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量計(jì)算參照公式（8）～（12）。

式中：Qr為修正后的建筑累計(jì)冷負(fù)荷，kW·h/m2；ΔE為地源熱泵系統(tǒng)全年節(jié)能量，kgce/m2；ΔEc, ΔEh分別為制冷季和供暖季節(jié)能量，kgce/m2；ΔP為全年節(jié)約電量，kW·h/m2；εc,εh分別為地源熱泵系統(tǒng)的制冷和供暖能效比；εt為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷能效比；ηt為燃煤鍋爐運(yùn)行效率；qbm為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29307 kJ/kg；D為每度電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，取0.327 kgce/ kW·h；

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2162-2015），εt取2.6，ηt取0.7；根據(jù)已建地源熱泵系統(tǒng)的性能測(cè)試，εc取3.75，εh取3.35。

經(jīng)計(jì)算，每平方米辦公建筑地源熱泵系統(tǒng)制夏季制冷和冬季供暖的節(jié)能量分別為2.40 kW·h和8.71 kW·h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤分別為0.78 kg和2.85 kg，全年節(jié)能量合計(jì)標(biāo)準(zhǔn)煤3.63 kg。地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能量分析Table 5 GSHP system energy saving analysis

根據(jù)研究區(qū)淺層地?zé)崮軛l件和冷熱負(fù)荷需求，為了使冬季向地下取熱量與夏季向地下儲(chǔ)熱量基本平衡，要求冬夏兩季均以供暖工況設(shè)計(jì)地埋管換熱器，夏季再采用輔助冷源進(jìn)行調(diào)峰。因此，采用淺層地?zé)崮芏竟┡晒┟娣e進(jìn)行節(jié)能量的估算。經(jīng)估算，研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_采率為10%、20%、40%、80%和100%時(shí)全區(qū)每年可節(jié)約能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤分別為203.7、407.5、611.2、815.0和1018.7萬(wàn)噸，節(jié)能效益十分可觀。

3.2 環(huán)境效益分析

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的環(huán)境效益從CO2、SO2和粉塵減排量3個(gè)方面進(jìn)行分析。根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2162-2015），利用前面計(jì)算的全年節(jié)能量按照公式（13）～（15）分別對(duì)CO2、SO2和粉塵的減排量進(jìn)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(guī)能源替代量，tce/yr；VCO2,VSO2,Vfc分別為CO2、SO2和粉塵的排放強(qiáng)度，分別取2.47 t/tce、0.02 t/tce和0.01 t/tce。

經(jīng)過估算，研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_采強(qiáng)度為100%時(shí)，全年可實(shí)現(xiàn)CO2、SO2和粉塵減排量分別為2516.2、20.4和10.2萬(wàn)噸，減排效果十分顯著。計(jì)算結(jié)果詳見表6。

表6 淺層地?zé)崮芾脺p排效益估算結(jié)果Table 6 Estimation of emission reduction of shallow geothermal energy utilization

4 淺層地?zé)崮荛_發(fā)對(duì)上海實(shí)現(xiàn)碳中和的意義

根據(jù)《上海市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，上海將制定全市碳排放達(dá)峰行動(dòng)計(jì)劃，著力推動(dòng)電力、鋼鐵、化工等重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)用能單位節(jié)能降碳，確保在2025年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰。《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》中提出了具體目標(biāo)：全市碳排放總量和人均碳排放于2025年達(dá)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(wàn)噸以內(nèi)。其中來自工業(yè)、交通和建筑3大領(lǐng)域的碳排放分別約占45%、30%和25%，即建筑領(lǐng)域當(dāng)前年碳排放量約為5000萬(wàn)噸。而《上海市綠色建筑“十四五”規(guī)劃》明確提出城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動(dòng)，至2025年建筑領(lǐng)域碳排放量控制在4500萬(wàn)噸左右，因此，到2025年建筑領(lǐng)域CO2減排指標(biāo)為500萬(wàn)噸。根據(jù)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?zé)崮芸晒┙ㄖ娣e來計(jì)算淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)減少碳排放的貢獻(xiàn)量。淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)CO2減排貢獻(xiàn)量，其估算結(jié)果詳見表7。

表7 淺層地?zé)崮芾脤?duì)CO2減排的貢獻(xiàn)量估算Table 7 Estimation of the contribution of shallow geothermal energy utilization to CO2 emission reduction

結(jié)果顯示，到2025年，地?zé)崮苷伎稍偕茉丛诮ㄖ惺褂帽壤秊?0%、40%和60%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)CO2減排量分別為39.8、79.7和119.5萬(wàn)噸，對(duì)全市CO2減排目標(biāo)的貢獻(xiàn)度分別為8.0%、15.9%和23.9%。由此可見，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用有助于上海市調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及碳達(dá)峰/碳中和的行動(dòng)目標(biāo)。

需要說明的是，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形勢(shì)變化較大，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較難預(yù)測(cè)，故本研究?jī)H估算至2025年的結(jié)果。若要得到2025年之后的CO2減排貢獻(xiàn)量，可在獲取可靠的數(shù)據(jù)后再按此方法進(jìn)行估算。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)上海各區(qū)建設(shè)用地規(guī)劃確定土地利用系數(shù)，計(jì)算得到研究區(qū)夏季制冷和冬季供暖的區(qū)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(jì)算制冷供暖負(fù)荷，得到地源熱泵夏季制冷可供建筑面積為94745萬(wàn)m2，冬季供暖可供建筑面積為280636萬(wàn)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(jīng)濟(jì)與環(huán)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(tǒng)夏季制冷和冬季供暖的節(jié)能量分別為2.40 kW·h/m2和8.71 kW·h/m2，折合標(biāo)準(zhǔn)煤分別為0.78 kg/m2和2.85 kg/m2，全年節(jié)能量合計(jì)標(biāo)準(zhǔn)煤3.63 kg/m2。研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_采強(qiáng)度為100%時(shí)，全年可節(jié)約能源約合1018.7萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可實(shí)現(xiàn)CO2、SO2和粉塵減排量分別為2516.2、20.4和10.2萬(wàn)噸，節(jié)能減排效果顯著。

（3）根據(jù)上海市碳達(dá)峰行動(dòng)計(jì)劃，到2025年，地?zé)崮苷伎稍偕茉丛诮ㄖ惺褂帽壤秊?0%、40%和60%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)CO2減排量分別為39.8、79.7和119.5萬(wàn)噸，對(duì)CO2減排目標(biāo)的貢獻(xiàn)度分別為8.0%、15.9%和23.9%。說明淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰/碳中和目標(biāo)是可行且效益顯著。