浅层地热能资源可持续开发分区引导与分级利用方法研究

才文韬，王小清

（1. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072；2. 上海浅层地热能工程技术研究中心，上海 200072；3. 上海浅层地热能发展研究中心，上海 200072）

能源是当今社会发展的三大支柱之一，影响着经济、环境、人民生活水平等全社会的发展。当前我国能源结构不合理，过分依赖石油、煤炭和天然气等一次性能源，对生态环境产生了负面影响，严重制约了我国社会、经济的可持续发展。地热能是一种清洁环保的新型能源，发展潜力巨大。根据我国《地热能开发利用“十三五”规划》目标，到2020年，我国地热供暖/制冷面积将累计达16亿m2，地热能利用总量相当于替代化石能源7000万吨标准煤，减排二氧化碳1.7亿吨。地热能开发利用对我国调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义[1]。目前，上海地区地热能资源利用类型主要为浅层地热能，浅层地热能作为地热能中的一类[2]，具有分布广泛、总量丰富、方便利用等特点，主要通过地源热泵技术用于建筑物的制冷与供暖，可有效替代或减少建筑物对常规能源的使用量[3-4]。城市规划是城市发展、建设、管理的基本依据，指导城市空间布局、城市规模、人居环境、交通基础设施等城市建设的各方面工作。并且城市中的各类生产活动、交通运输以及人民生活都伴随能源的消耗，城市规划实施过程中的各个阶段更是离不开能源。国土资源部2017年9月发布的《关于加强城市地质工作的指导意见》（国土资发[2017]104号）中明确指出“城市地区地热和浅层地温能资源开发，应在全面评估基础上与城市土地利用总体规划和城市规划相衔接”。所以，浅层地热能开发利用理应与城市规划相结合，与城市的土地开发、工程建设、交通运输、环境保护等协同发展，在城市发展中合理利用浅层地热能，在浅层地热能开发利用中促进城市发展，实现浅层地热能的可持续利用。

1 开发利用现状

20世纪60年代上海纺织厂利用深井水“冬灌夏用”为纺织车间制冷，开启了上海市对浅层地热能利用的先河。1989年上海市建成了国内第一个地源热泵项目，采用地埋管地源热泵系统为办公楼制冷、供暖。近年来，随着技术的不断革新，浅层地热能发展迅速，截至2017年底，上海市浅层地热能应用面积总量约为1200万m2。开发利用项目类型主要以公共建筑和居住建筑为主，其中公共建筑应用面积占67%，居住建筑应用面积占28%。开发利用形式以地埋管换热方式为主，大多为小型建筑分布在周边城区。

浅层地热能的发展离不开规范的技术要求和科学的管理手段，在国家规范和行业规范的基础上，结合上海市的应用实践，出台了上海市工程建设规范《地源热泵系统工程技术规程》[5]；研究并起草了《上海市浅层地热能开发利用管理暂行规定》，明确了管理主体、任务以及开发利用全过程管理要求。

虽然近年来上海市浅层地热能开发利用有了较大的发展，但利用规模和速度与上海市社会发展的需求还有较大的差距。所以，仍需加强上海市浅层地热能管理，协调浅层地热能开发利用与城市空间规划、地质环境保护的关系，合理开发和有效保护浅层地热能资源，提高浅层地热能建筑应用项目比例和规模，促进上海市浅层地热能可持续开发利用。

2 分区管理与分级利用

浅层地热能开发利用受资源赋存条件、换热器设置、建筑物制冷供暖需求特征等综合影响[6]，与城市的总体规划更是有着联系紧密。根据上海地区浅层地热能资源赋存条件和城市总体规划[7]，在区域资源调查的基础上，对浅层地热能资源开发利用进行区域性划分，再结合控制性详细规划及土地利用规划，对浅层地热能开发利用应用建筑进行综合等级评价，给出分级利用建议。

2.1 分区原则与划分体系

2.1.1 分区原则

（1）统筹协调，全面兼顾。把握好浅层地热能开发利用管理与城市发展、与城市总体规划建设相衔接的关系，开发利用体系要与其它各制度体系相互协调，有时要同步进行，有时要依次递进，有时要互为补充。

（2）因地制宜，突出重点。以周密的前期调查为基础，突出资源条件好、资源需求旺盛的区域，作为开发利用体系在区域空间上的重点。将服务于建筑物、现代农业设施供暖制冷为重点利用方式，满足新型城镇化对浅层地热能行业提出的更高要求。

（3）保护优先，合理开发。坚持对生态空间和地质环境的优先保护，在环境可承受范围内，科学、合理进行开发利用，防止无序、过度开发，防止对生态环境造成破坏，保障浅层地热能清洁开发和持续利用。

2.1.2 划分体系

（1）区划类别。区划分为重点开发利用区、一般开发利用区和禁止开发利用区3个类别。

（2）要素和指标。包括浅层地热资源赋存条件、生态空间布局、城镇空间布局和地下空间布局四个方面的要素和指标，详见表1。

（3）划分策略。重点开发利用区的划分需同时满足资源赋存条件、城镇空间等要素指标；一般和禁止开发利用区只需满足资源赋存条件、生态空间、城镇空间和地下空间要素其中一条指标。其中城镇空间指标信息来源于《上海市城市总体规划（2017-2035年）》。

表1 划分要素指标Table 1 Dividing element indicators

2.2 分级利用

2.2.1评价方法

以地块为评价单元，采用变异系数法进行分级评价，根据均方差、变异系数确定各评价指标的权重，根据各指标权重，对各项指标分值进行加权平均后汇总得到综合评价指数，再判断各个对象的优劣程度，进而进行等级划分，完成工作区浅层地热能建筑应用综合等级评价。地块的综合评价指数越高，浅层地热能开发利用优先级别越高。

2.2.2 指标选取

（1）建设用地类型单项指标评价

建设用地性质决定建筑类型，建筑类型决定了空调负荷要求、运行特性，也决定了不同的节能效果。根据不同建筑类型，结合本市浅层地热能开发利用现状调查的结果，确定建设用地类单项指标评价标准。

（2）建筑容量单项指标评价

浅层地热能资源需求与单位建设用地建筑容量的大小有关。单位建设用地建筑容量一般包括建筑密度和建筑容积率，本评价指标主要选择建筑容积率。容积率可以衡量建设用地使用强度，同时也决定了建筑空调的总用能量，同一地块容积率增加时建筑面积增加，用能量也相应增加。

（3）浅层地热能换热能力单项指标评价

浅层地热能换热能力反映建设用地浅层地热能资源潜力的大小。地层岩性、地层结构决定了岩土体的热传导性和换热效率。岩土的导热系数、热扩散系数越大岩土的导热能力越强，地层温度恢复能力越强，地埋管的换热效率也越高。

3 应用案例

选择位于上海市西南部松江区和金山区，根据两区的浅层地热能资源赋存条件和相关规划，进行浅层地热能资源开发利用进行区域性划分，松江区石湖荡镇已有控制性详细规划，选其进行分级评价，再对各区提出管理与保护建议，指引该区域浅层地热能实际开发利用工作。

3.1 分区结果

3.1.1 重点开发利用区

分布面积约365 km2，主要为新城（松江新城、金山新城）、新市镇（1个核心镇：金山卫镇，9个中心镇石湖荡镇、吕巷镇、叶榭镇等）、乡村等规划城市集中建设区以及城市开发边界外的建设用地。区内浅层地热能赋存条件好，资源利用潜力大；资源需求旺盛，能够形成集中连片开发利用，规模效益明显。

3.1.2 一般开发利用区

分布面积约844 km2，主要为以非城市建设用地为主的特大城市城郊边缘区，即工作区内各镇的非集中建设区域，这些区域包括永久基本农田、林地、湿地、湖泊河道、野生动物栖息地等生态保护区域及饮用水水源二级保护区、近郊绿环、生态间隔带、生态走廊等构成的第三类生态空间。工作区内主要为新城以外的现代农业设施覆盖地区，建筑密度小，容积率低，该区浅层地热能开发利用以点状和小规模为主。

3.1.3 禁止开发利用区

分布面积约7.8 km2，主要为松江区区政府所在地及金山区区政府、金山卫站所在地，属于公共活动中心（城市中心、城市副中心、地区中心）、交通枢纽地区（大型综合交通换乘枢纽、两线以上轨道交通换乘枢纽）等组成的地下空间重点开发地区，该区禁止浅层地热能开发利用。分区结果如图1。

图1 浅层地热能开发利用区划图Fig.1 Zoning of shallow geothermal energy development and utilization

3.2 分级结果

整理分析石湖荡镇区域城市建设用地类型、建筑容积率和区域换热功率等数据，根据评价方法，对工作区各指标的变异系数进行计算（表2）。

指标的变异系数是刻画指标分辨信息的能力，即指标的区分度变异系数越大，表明该指标在各个决策单元中的分布变异性越大，指标的信息分辨能力就越强；反之则越弱，应予以剔除。

根据相关计算公式，各项指标的权重计算结果见表2。

表2 各指标变异系数与指标权重计算结果Table 2 Calculations of variation coefficient and index weight

对工作区建设用地地块的用地类型、容积率、换热能力三项指标进行参数赋值后，计算各项指标加权平均值，划分地块等级如表3：

根据等级划分，绘制石湖荡镇浅层地热能建筑应用分级利用方案图，见图2。按照上述等级划分，最终统计出分级区域面积及占比：一级区面积7.43万m2，占15.96%；二级区面积28.77万m2，占61.81%；三级区面积10.35万m2，占22.23%。以二级区占比最大。

3.3 管理与保护

3.3.1 管理措施

表3 各地块分级表Table 3 Each parcels classification table

图2 浅层地热能建筑应用分级利用方案图Fig.2 Grading utilization scheme of shallow geothermal energy architectural application

（1）分区管理

实行分区管理浅层地热能开发利用。对于重点开发利用区，鼓励公共建筑、国家机关办公建筑、学校以及低密度独栋居住建筑优先利用浅层地热能；对于一般开发利用区，项目前期宜开展可行性论证，合理设置利用规模和地下换热器空间位置；对于禁止开发利用区，禁止浅层地热能在该区域开发利用。

（2）与法定规划和土地管理衔接

在资源调查评价基础上，结合相关法定规划控制指标，对浅层地热能建筑应用进行综合评价，编制重点区域浅层地热能开发利用导则；建立浅层地热能建筑应用综合评价指标，分级引导浅层地热能开发利用。在土地出让时，位于重点和一般开发利用区的土地，在核定规划条件时，依据分区规划一并提出浅层地热能开发利用要求。

（3）开发利用项目管理

浅层地热能项目实施全过程管理，项目实施前，应按照《地源热泵系统工程技术规程》开展场地勘察工作，结合场地勘察和项目需求编制开发利用方案；现场实施中，地下换热器、工程钻孔等地下工程的设计、施工、监理、验收，应当符合《地源热泵系统工程技术规程》及其他相关标准、规范和技术规程；实施后，应按照《上海市地质资料管理办法》汇交地质资料。

3.3.2 保护措施

建立“区域+应用项目”浅层地热能资源监测体系，对各典型区域地层原始地温及浅层地热开发利用影响区域温度场的状况进行监测；对开发利用项目热泵系统运行状态参数和地质环境进行监测。

4 结语

“在保护中开发、在开发中保护”是浅层地热能资源开发利用的基本原则，浅层地热能的可持续开发利用需要有效的保护措施和合理的管理方法，开展动态监测是协调资源开发利用与地质环境保护的重要手段，进行分区引导、建立与规划和土地管理衔接机制、实施项目全过程管理是协调资源开发利用与资源管理的重要途径。上海多年来在技术方法及管理政策方面的实践与探索，可为国内外的浅层地热能开发利用提供借鉴与指导。