1、第 28 卷第 10 期2012 年 10 月建 筑 科 学BUILDING SCIENCEVol. 28， No. 10Oct 2012 文章编号 1002-8528( 2012) 10-0001-03我国主要城市浅层地温能利用潜力评价王贵玲 ， 蔺文静 ， 张 薇 ( 中国地质科学院 水文地质环境地质研究所 ， 石家庄 050061) 摘 要 本文对我国主要城市浅层地热资源利用潜力进行了评价 。我国各省地级城市建设面积为 53 080 km2， 全国各省实际可有效利用的浅层地温能总量为 7. 115 81 1011kWh， 总装备空调面积为 36 813. 72 28 330. 5 km2
2、， 可供 4. 7 6. 3 亿人供暖和供冷 。 关键词 浅层地温能 ; 潜力 ; 评价 中图分类号 TK529 文献标识码 AEvaluation on Utilization Potential ofShallow Geothermal Energy in Major Cities of ChinaWANG Gui-ling， LIN Wen-jing， ZHANG Wei( The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuan
3、g 050061， China) Abstract In this paper， the utilization potential of shallow geothermal energy in major cities of China was evaluated Theconstruction area of all the prefecture-level cities was 53 080 km2， the total actual effective utilization amount of shallow geothermalenergy was 7. 115 81 1011k
4、Wh， and the general equipment air-conditioning area was 36 813. 72 28 330. 5 km2， which could be usedfor 470 630 million people Keywords shallow geothermal energy， potential， evaluation 收稿日期 2012-08-02 基金项目 “十一五 ”国家科技支撑计划项目 “水源地源热泵高效应 用 关 键 技 术 研 究 与 示 范 子 课 题 一 ”( 2006BAJ01A06-1) 作者简介 王贵玲 ( 1964-)
5、， 男 ， 博士 ， 研究员 联系方式 guilingw 163 com0 引 言在能源短缺的今天 ， 利用浅层地温能这一清洁可再生的新能源改善环境污染状况日益受到国家和地方政府的重视 ， 近年来相继出台了一系列支持鼓励政策和管理法规 ， 各地政府还财政补贴浅层地温能的开发利用 。在我国 ， 建筑能耗在能源总消费中所占的比例已经达到了 27. 6% ， 而且还在以每年 1 个百分点的速度增加 。住建部统计数字显示 ， 我国每年城乡建设新建房屋建筑面积近 20 亿 m2， 其中 80% 以上为高能耗建筑 ; 既有建筑近 400 亿 m2， 其中 95% 以上为高能耗建筑 。在建筑能耗中 ， 暖通
6、空调系统与热水系统能耗所占的比例接近 60% ， 而且随着人民生活水平的提高还有上升的趋势 。住建部提出 ， 我国新建建筑全面执行节能标准 ， 建筑能耗减少 50%。浅层地温能属于低品位能源 ， 按照分级用能原则 ， 最适合满足生活用能的需要 。2004 年以来 ， 中国水源热泵系统的应用加快 ， 由于这项技术比较成熟 ， 将进入大规模推广应用阶段 。如今国内的多家大学和研究机构对水源热泵系统都进行了相关研究 ， 如清华大学 、天津大学 、重庆大学 、天津商学院 、山东建筑大学 、中国科学院广州能源研究所等 1-4， 其中清华大学多年来针对多工况水源热泵系统的研究已经形成产业化成果 。1 计算
7、原理利用浅层地温能可解决冬天供暖 、夏季供冷的问题 。根据气候特征 ， 利用浅层地温能主要有以下3 种情况 : 只需冬季供暖 ， 夏季无需供冷 ( 类地区 ) ; 只需夏季供冷 ， 冬季无需供暖 ( 类地区 ) ; 夏季供冷 ， 冬季供暖 ( 类地区 ) 。以冷热均衡为原则 ， 类地区供暖所需要的总热能来自于可有效利用的浅层地温能 ， 供暖的同时将冷能带入地下 ， 造成地下温度下降 ， 这可以在非供DOI:10.13614/ki.11-1962/tu.2012.10.024建 筑 科 学 第28 卷暖期 ( 时间达半年以上 ) 从环境得以恢复 。类地区供冷所需要的总冷能来自于可有效利用的浅层地
8、温能 ， 供冷的同时将热量带入地下 ， 造成地下温度上升 ， 这可以在非供冷期 ( 时间达半年以上 ) 从环境得以恢复 。类地区供暖时带入地下的冷能在供冷期可得以利用 ， 从而实现冷热均衡 。根据全国气候特征 ， 我国利用浅层地温能主要以 类地区为主 。除此之外 ， 以海南为代表的南方地区主要以供冷为主 ，其在夏天供冷期带入地下的热能在供暖期利用 ， 由于供暖时间短 ， 总热能相对较大 ， 则其供暖面积相对较大 ; 同样 ， 以黑龙江为代表的北方地区主要以供暖为主 ， 其供冷面积相对较大 。为了保障浅层冷热能平衡 ， 供暖期所获得的热能或供冷期所获得的冷能的最大值均为可有效利用的浅层地温能 。
9、若全国浅层地温可有效利用的能量全部用于空调系统 ， 其空调面积可由下式确定 :A= Qtal/( qhth)A= Qtal/( qhth) 或 Qtal/( qctc)A= Qtal/( qctc) ( 1)式中 ， A、A、A分别为 、类地区建筑空调面积 ， m2， 其中 A取 2 个公式计算结果中的较小值 ，保持冷热能平衡 ; Qtal为可利用的浅层地温能 ， Wh;qh、qc分别为热负荷指标和冷负荷指标 ， W/m2; th、tc分别为供暖时间和供冷时间 ， h。全国各省可有效利用的浅层地温能采用热储法计算 ， 浅层的地热资源量按式 ( 2) 计算 :QR= CAd( tr tj) (
10、2)式中 ， QR为地热资源量 ， kcal; A 为热储量面积 ， m2; d为热储厚度 ， m; tr为热储温度 ， ; tj为基准温度 ( 即当地地下恒温层温度或年平均气温 ) ， ; C 为热储岩石和水的平均热容量 ， kcal/( m3 ) ， 由式 ( 3) 求出 。C = PcCc( 1 ) + PwCw ( 3)式中 ， Pc、Pw分别为岩石和水的密度 ， kg/m3; Cc、Cw分别为岩石和水的比热容 ， kcal/( kg ) ; 为岩石的孔隙度 ， %。将式 ( 3) 代入式 ( 2) 即得式 ( 4) :QR= Ad PcCc( 1 ) + PwCw( tr tj) (
11、 4)浅层地温能储存介质按中细砂和砂粘土 1 1计算 ; 水的比热容为 1 kcal/( kg ) ， 中细砂的比热容为 0. 24 kcal/( kg ) ， 砂 粘 土 的 比 热 容 为 0. 33kcal/( kg ) ; 水的密度为 1 103kg/m3， 中细砂的密度为 1. 75 103kg/m3， 砂粘土的密度为 1. 78 103kg/m3， 中细砂和砂粘土的孔隙度分别按 30% 和45% 计算 。浅层地温能资源一般可利用温差为 5 15 ， 而在我国不同地区可利用温差不同 ， 本文概算采用平均值 9 。建筑类型不同 ， 其冷热负荷指标也不同 ， 本文采用下式计算 :qh=
12、K1qh1+ K2qh2qc= K1qc1+ K2qc2( 5)式中 ， K1为住宅建筑面积比例 ， 本文取为 80% ; K2为非住宅建筑面积比例 ， 本文取为 20% ; qh1、qh2、qc1和qc2分别为住宅建筑 、非住宅建筑的热负荷指标与冷负荷指标 。2 计算结果考虑 到 城 市 建 筑 面 积 系 数 50%、可 采 系 数30%、可利用效率 25% ， 同时考虑到浅层地温能利用深度的不均一性 ， 将其可利用深度按 50 m 处理计算 ， 则全国各省实际可有效利用的浅层地温能总量计算结果见表 1。表 1 全国各省可有效利用浅层地温能省份 城市建设面积 /km2可有效利用浅层地温能
13、/kWh吉林 1 290 17 293 520 942黑龙江 2 490 33 380 517 167辽宁 3 120 41 826 190 185天津 1 450 19 438 453 772北京 2 580 34 587 041 884河北 1 820 24 398 610 941山东 3 300 44 239 239 619山西 1 340 17 963 812 451内蒙古 1 280 17 159 462 640河南 2 710 36 329 799 808陕西 1 420 19 036 278 866宁夏 810 10 858 722 452甘肃 1 080 14 478 296
14、603新疆 620 8 311 614 716上海 1 700 22 789 911 319浙江 2 600 34 855 158 488江西 990 13 271 771 886福建 1 120 15 014 529 810海南 140 1 876 816 226安徽 2 810 37 670 382 827湖北 1 640 21 985 561 508湖南 1 710 22 923 969 621广东 5 230 70 112 491 881广西 1 220 16 355 112 829四川 2 080 27 884 126 790云南 730 9 786 256 037贵州 390 5
15、228 273 773西藏 130 1 742 757 924青海 200 2 681 166 038江苏 4 080 54 695 787 165重庆 1 000 13 405 830 188总计 53 080 7. 115 81 10112第 10 期 王贵玲 ， 等 : 我国主要城市浅层地温能利用潜力评价全国各省供暖期与供冷期供暖与供冷时间 、供暖期与供冷期平均空气温度 、供暖负荷指标与供冷负荷指标 ( qh1、qc2) 、单位空调面积供暖与供冷所需能量 ( Qh1、Qc2) 等参数 ， 参考 实用供热空调设计手册 、民用建筑暖通空调设计技术措施 及中国气象中心 2009 年城市月均温度
16、气候标准值进行选取 。利用式 ( 1) 计算全国各省可有效利用的浅层地温能来装备供暖和供冷空调面积 ， 具体结果见表 2。由表可知 ， 总装备空调面积为 36 813. 72 28 330. 5km2， 按人均 30 m2的供暖面积 、30 m2的供冷面积计算 ， 可供 4. 7 6. 3 亿人供暖和供冷 。表 2 全国各省可有效利用浅层地温能的供暖和供冷空调面积省份 Qh1/( kWh/m2) Qc2/( kWh/m2) 可有效利用浅层地温能 /kWh供暖空调面积 /km2供冷空调面积 /km2黑龙江 191. 16 230. 1 9. 6 13. 2 17 293 520 942 90.
17、47 75. 16 1 801. 41 1 310. 12吉林 174. 42 213. 75 12. 8 17. 6 33 380 517 167 191. 38 156. 17 2 607. 85 1 896. 62辽宁 139. 84 170. 24 15. 2 21. 2 41 826 190 185 299. 1 245. 69 2 751. 72 1 972. 93天津 93. 6 114 45. 9 63 19 438 453 772 207. 68 170. 51 423. 5 308. 55北京 98. 28 119. 7 57. 6 79. 2 34 587 041 884
18、 351. 92 288. 95 600. 47 436. 71河北 84. 36 102. 6 100. 8 138. 6 24 398 610 941 289. 22 237. 8 242. 05 176. 04山东 72. 1 87. 55 86. 4 118. 8 44 239 239 619 613. 58 505. 3 512. 03 372. 38山西 109. 6 137 72 99 17 963 812 451 163. 9 131. 12 249. 5 181. 45内蒙古 157. 7 190. 9 15. 2 21. 2 17 159 462 640 108. 81 8
19、9. 89 1 128. 91 809. 41河南 67 82 106. 2 146. 7 36 329 799 808 542. 24 443. 05 342. 09 247. 65陕西 69. 36 84. 66 28. 8 39. 6 19 036 278 866 274. 46 224. 86 660. 98 480. 71宁夏 124. 1 153. 3 19 26. 5 10 858 722 452 87. 5 70. 83 571. 51 409. 76甘肃 109. 06 133 20. 4 28 14 478 296 603 132. 76 108. 86 709. 72 5
20、17. 08新疆 165. 24 202. 5 25. 6 35. 2 8 311 614 716 50. 3 41. 05 324. 67 236. 13上海 34. 8 42 109. 8 150. 3 22 789 911 319 654. 88 542. 62 207. 56 151. 63浙江 37. 8 46. 2 132. 3 181. 8 34 855 158 488 922. 09 754. 44 263. 46 191. 72江西 45. 5 56 132. 3 181. 8 13 271 771 886 291. 69 237 100. 32 73福建 17. 2 21.
21、 2 125 171 15 014 529 810 872. 94 708. 23 120. 12 87. 8海南 6 7 264 363 1 876 816 226 312. 8 268. 12 7. 11 5. 17安徽 42. 7 52. 5 124. 2 170. 1 37 670 382 827 882. 21 717. 53 303. 3 221. 46湖北 30 42 149. 4 206. 1 21 985 561 508 732. 85 523. 47 147. 16 106. 67湖南 30 42 138. 6 189. 9 22 923 969 621 764. 13 5
22、45. 81 165. 4 120. 72广东 10. 8 13. 2 184. 8 253. 2 70 112 491 881 6 491. 9 5 311. 55 379. 4 276. 91广西 13. 8 17. 1 109. 8 150. 3 16 355 112 829 1 185. 15 956. 44 148. 95 108. 82四川 40. 6 49 54. 9 75. 6 27 884 126 790 686. 8 569. 06 507. 91 368. 84云南 27. 5 34 9. 6 13. 2 9 786 256 037 355. 86 287. 83 1 0
23、19. 4 741. 38贵州 30 37 9. 6 13. 2 5 228 273 773 174. 28 141. 3 544. 61 396. 08西藏 100. 1 121. 55 19 26. 5 1 742 757 924 17. 41 14. 34 91. 72 65. 76青海 157. 14 191. 16 15. 2 21. 2 2 681 166 038 17. 06 14. 03 176. 39 126. 47江苏 58. 56 71. 04 83. 7 115. 2 54 695 787 165 934. 01 769. 93 653. 47 474. 79重庆 58
24、. 4 61. 6 109. 8 150. 3 13 405 830 188 229. 55 217. 63 122. 09 89. 19总计 7. 115 81 101118 928. 94 15 368. 55 17 884. 78 12 961. 96 36 813. 72 28 330. 53 结 论中国建筑业发展迅速 ， 每年城市新增 8 9 亿m2的住宅建筑和公共建筑 ， 随着经济发展和人民生活水平的提高 ， 建筑能耗逐年大幅上升 。利用浅层地温能供暖和供冷可有效缓解近年来空调负荷的迅速增长 ， 减少建筑能耗 ， 实现节能减排目标 。( 下转第 8 页 )3建 筑 科 学 第28
25、卷间分析软件 ， 对数据进行矢量化 、分类与标准化 、栅格化 ， 得出中国区域公共建筑地下水源热泵系统适宜性分区图如图 3 所示 ， 中国区域居住建筑地下水源热泵系统适宜性分区图如图 4 所示 。图 3 中国区域公共建筑地下水源热泵系统适宜性分区图图 4 中国区域居住建筑地下水源热泵系统适宜性分区图需要着重指出的是 ， 中国地下水源热泵系统适宜性分区图仅是较大比例尺度上的区域适宜性分析 ， 不可一概而论 。对于局部地区的特殊情况 ， 仍然需要因地制宜 、具体分析 ， 得出该项目的适宜性 。4 结 论本文介绍了 “十一五 ”国家科技支撑计划项目“水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范 ”的专题研
26、究 地下水源热泵适宜性研究的成果和研究方法 ， 得出了我国地下水源热泵系统的适宜性分区图 ， 研究结论和方法对地下水源热泵系统的评估具有指导和参考意义 。 参考文献 1 徐伟 中国地源热泵发展研究报告 ( 2008) M 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2008 2 王连芬 ， 徐树柏 层次分析法引论 M 北京 : 中国人民大学出版社 ， 1990 3 TRNSYS TRNSYS 16. 1: A Transient Simulation Program G USA: University of Wisconsin， 2007( 上接第 3 页 )本文对我国主要城市浅层地热资源利用潜力进行了
27、评价 ， 我国各省地级城市建设面积为 53 080km2， 考 虑 到 城 市 建 筑 面 积 系 数 50%、可 采 系 数30%、可利用效率 25% ， 考虑到浅层地温能利用深度的不均一性 ， 可利用深度按 50 m 处理计算 ， 则全国各省实际可有效利用的浅层地温能总量为 7. 11581 1011kWh， 总装备空调面积为 36 813. 72 28330. 5 km2， 按人均 30 m2的供暖面积 、30 m2的供冷面积计算 ， 可供 4. 7 6. 3 亿人供暖和供冷 。 参考文献 1 徐秋敏 U 型垂直埋管式地源热泵地下传热特性的实验研究 D 大连 : 大连理工大学 ， 2005 2 刁乃仁 ， 方肇洪 地源热泵优化设计地热换热器 J 建设科技 ， 2004，( 7) : 32 33 3 李道强 地源热泵空调系统的技术经济评价及地热换热器优化研究 D 西安 : 西安建筑科技大学 ， 2004 4 蔺文静 ， 吴庆华 ， 王贵玲 我国浅层地温能潜力评价及其环境效应分析 J 干旱资源与环境 ， 2012，( 3) : 57 618
