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摘 要： 通过对江苏省徐州城市规划区浅层地温能研究，阐述浅层地热地质条件，调查浅层地温场分布特征，按照浅层地温能勘查评价规范对城市规划区浅层地温能进行适宜性分区、浅层地温能资源估算及开发利用潜力评价，提出合理开发利用浅层地温能资源的意见与建议。
关键词： 浅层地温能； 城市规划区； 地温能容量； 可利用资源量； 资源潜力评价； 江苏徐州
Abstract： Through the shallow geothermal energy research in Jiangsu Province， Xuzhou city planning area， expounds the shallow geothermal geological condition， to investigate the distribution of shallow geothermal field in shallow geothermal energy exploration and evaluation standard of city planning area of shallow geothermal suitability zoning， shallow geothermal resource estimation and utilization potential evaluation， offers proposals for reasonable development and utilization of shallow geothermal resource.
Keywords： Shallow geothermal energy； Urban planning zone； ground temperature energy capacity； Available resources； Resource potential evaluation； Xuzhou， Jiangsu
浅层地温能是指近地表以下一定深度范围内，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源[1-3]。它是地热资源的重要组成部分，属清洁、安全、可再生能源，是国家重点支持开发利用的能源方向。
规划区为徐州市城市远期规划区，面积为3157km2，因规划区范围大，以徐州市主城区为本次重点研究区，主城区面积为641km2，外围以资料收集为主，研究深度为地表以下200m以浅。浅层地温能利用分为地埋管式和地下水式，规划区处于地下水水源保护区，故本文仅对规划区进行地埋管式适宜性评价。
1. 浅层地温能赋存条件
1.1 自然地理特征
规划区位于江苏省北部，地处黄泛平原，同时又位于鲁南山区南缘，属华北平原的一部分。总体地形特征：西北和东南部为平原区，中东部和西南部为低山丘陵及山前、山间平原区。地势总体微向东南倾斜。按地貌成因和形态特征，可划分为构造剥蚀—溶蚀地貌、剥蚀堆积地貌和堆积平原三大类型。
规划区地处北亚热带与暖温带之间过渡带，属湿润至半湿润季风气候区。日照充足、四季分明，春季气候多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季干燥寒冷。常年主导风向偏东风，冬天多西北风，夏天多东南风；徐州年气温14℃，一月平均气温-0.7℃，七月平均气温27℃，年均降水量800mm～930mm，雨季降水量占全年的56%，最大年降水量为1297mm，最小年降水量为259.5mm。
规划区地处古淮河的支流沂、沭、泗诸水的下游，以黄河故道为分水岭，北属泗运水系，南属濉河水系。境内河流纵横交错，湖沼、水库星罗棋布，北部主要地表水体有京杭运河、房亭河和微山湖，南部主要河流有闸河、奎河、运料河、闫河、琅溪河等。
1.2 地质概况
按大地构造位置，本区大地构造属于中朝准地台—淮河台坳—淮北台陷褶带—徐州—（宿县）弧形断褶带。山地、丘陵约占城市规划区总面积的20%，其余为广大第四系松散堆积物覆盖。
1.2.1 地层
徐州城市规划区内第四系分布较广泛，规划区内沉积类型有：冲积、冲—湖积、冲—洪积、湖—沼积、坡—洪积等（见表1）。地层属华北地层区鲁西分区徐州—宿县地层小区的一部分。上元古界青白口系新兴组（Pt3x）是区内最古老地层，其上依次是：青白口系（Qnt）、震旦系（Z），为一套滨浅海相碳酸盐岩—碎屑岩沉积；古生界寒武系（∈）、奥陶系下—中统（O1-2），组成区内山系的主体，主要为滨浅海相—台地相碳酸盐岩—碎屑岩沉积；缺失奥陶系上统—石炭系下统；上古生界石炭系上统（C2）、二叠系（P）为区域主要的含煤岩系，岩性为海陆交互相—滨海沼泽相的碳酸盐岩—含煤碎屑岩沉积建造；区内中生代地层发育不全，侏罗系上统（J3）、白垩系（K），为一套河湖相—火山盆地沉积相的陆源碎屑—火山沉积建造；区内第四系发育程度不均，受基岩起伏面和古地理环境的变化影响，其厚度变化较大：微山湖—卧牛山以西40m～140m；潘塘—棠张一带40m～65m；其他地区10m～40m，以冲洪积、冲湖积为主，主要分布在平原区，上覆于基岩以上（图1）。
1.2.2 地质构造
规划区位于徐（州）—宿（县）弧形断褶带中北段，东距郯庐深大断裂带约100km。在区域上南北向挤压与扭转作用下，形成区内独特的徐州弧形构造样式。
规划区内断裂构造主要有两组，一组呈北东—北北东向的压、压扭性纵向断裂，走向基本与弧形褶皱近于平行，主要发育复式褶皱构造的翼部或向斜构造的核部，多数为逆掩形成的叠瓦状构造；另一组是北西、北西西向的张、张扭性断裂构造，横切北东—北北东向褶皱与断裂构造。
规划区断裂构造组合特征對浅层地温能赋存条件有重要影响，进一步影响了浅层地温能资源的储集和分布特征。 1.3 浅层地温场特征
1.3.1 地温场垂向分布特征
地壳浅层地温场在垂向上的变化特征受地层岩性、结构、孔隙率、当地气候、地下水活动等多种因素的影响，自上而下依次为变温带、恒温带和增温带。
恒温带是太阳的辐射与地球的内热二者相互影响达到平衡状态，地温相对保持恒定，不随时间变化。规划区恒温带埋深在20m～30m，恒温带温度16.6℃～17.1℃，恒温带温度比徐州年平均气温略高2.6℃～3.1℃。
变温带的温度受太阳辐射影响，呈现四季变化，与气温呈现高度一致性，即一月份最低，平均地温0.4℃，七月份最高，平均地温27.1℃，1月～7月逐渐升高，7月～12月逐渐降低的趋势。年平均温差26.7℃，从地表往下温度逐渐降低，地温梯度2.0℃/100m～2.3℃/100m。
增温带的温度主要由地球内热控制，基本不受大气温度变化影响。一般情况下，地温随深度增加而增高，但不呈线性增加，而是地温梯度随深度增大而逐渐变小，地温梯度平均最高2.70℃/hm，平均2.28℃/hm。
1.3.2 地温场平面分布特征
规划区20m埋深深度的地温普遍低于19℃，温度范围基本在17.0℃～19.0℃，其中西部区域地温高于17.5℃，中东部绝大部分区域地温低于17.5℃。总体而言，规划区20m深度地温平面分布规律大致是西高东低（图2）。
1.3.3 岩土热物性特征
采集测试样41件进行热物性测试，导热系数1.34W/（m·K）～2.81W/（m·K），比热容0.86kJ/（kg·K）～1.64kJ/（kg·K），导温系数1.46～3.85×10-3m2/h，密度1760kg/m3～2870kg/m3，含水率0.09%～26.2%，孔隙率0.073～0.452。测试结果显示，不同岩性的岩土样其热物性参数有明显差异（见表2）。
1.3.4 岩土热响应特征
根据规划区地貌和地层的异同，共进行了5组单孔热交换测试，由于规划区岩性以灰岩为主，地源热泵多布设于灰岩区，根据热响应实验结果，岩土体导热系数主要受岩性影响，5组测试数据显示导热系数2.11W/（m·K）～2.75W/（m·K）。根据热响应实验结果，岩土体导热系数主要受岩性影响，不同岩性的岩土样其热物性有明显差异，单孔换热量夏季62W/m～78W/m，冬季46W/m～50W/m，潘塘盆地换热量较低，仅相当于其余区域的70%左右。总体来看测试孔热导率数值较高，适宜于地埋管地源热泵开发利用条件（见表3）。
1.4 浅层地温能影响因素分析
通过在规划区地质钻探、岩土热物性测试、现场热响应试验、布设地温场长期监测点等方法措施取得了翔实数据。经统计分析得出，区内地层岩性、地下水、地质构造及气候等是浅层地温赋存条件，同时也是构成地温场分布及其变化的主要影响因素。其中以灰岩为主的固结岩类具有较高的导热系数；地下室良好的储温载体，同时也是良好的热传递介质；变温带地温随气候因素变化而变化，地温场在垂向及平面上分布特征的差异性，间接地影响到不同区域的浅层地温能热容量。
2. 开发利用现状
2.1 项目概况
徐州市植物园工程项目位于徐州市平山路东侧，豪绅一百居住小区南侧，环境优美，交通便利，地理位置优越。本项目为徐州市植物园生态自然馆空调热泵项目，建筑面积3180m2，设计热负荷1370kW，配置有2台螺杆式地源热泵机组的地源热泵系统，概况信息如表4、表5所示。
2.2 基础数据采集与估算
本项目一次性初始投资约为600万，折合单位建筑面积投资1887元/m2。
運行费用由于并没有直接获取到相关数据，现在采取根据设备功率预估的方法估算，运行费用包括：能源费（主要）、设备基本维护费估算：根据设计书，系统运行时间为夏季制冷120天、冬季供暖120天。期间系统每天运行时间折算为满负荷运行时间12小时，电费按每度电0.55元估算，那么，年运行能源费用为：
（120×378.5+120×490.5）×10×0.55=573540（元）
设施维护保养费估算：据该项目物业负责人提供的经验数据，年设备保养费按照设备费总额的2%估算，按照工程经验设备费用一般占一次性总投资的2/3，那么设备保养费用约为8万元
所以，该项目运行费用总计为653540元，均摊值单位建筑面积为205.5元/m2。
2.3 指标估算
（1）经济指标—动态费用年值AW
估算公式为： （2-1）
式中，i为银行利率，取3%，n为使用寿命，本项目中取50年，C0为初始投资600万元，C为年运行费用653540元；
代入估算，可得该项目费用年值AW为：886733元；
均摊至单位建筑面积费用年值为：278.8元/m2；
年值指标的引入使得不同寿命期的项目之间可以进行比对，因为年值已经将初始投资及运行费用按照一定收益率均摊到每个年份，这样即使两个项目的寿命不同，其经济效应也可通过这个值进行比较。
（2）节能指标—能效比COP
这两个值反映的都是地源热泵节能的能力，但分别表示的意义有所差别，其中，COP 表示的为热源效率，其估算表达式为：
（2-2）
其中：Qh表示热源输出功
W表示热源输入功
C表示建筑物冷（热）负荷
P表示设备功率
S表示面积
由建筑物概况信息可知，该建筑物冷热负荷分别为：
270w/m2（冷）、430w/m2（热）
根据该项目设备相关参数，两台热泵机组的供热效率可以承担建筑负荷，所以根据系统设备总输入功率，可算得该系统的能效比： COPc=2.26（制冷）、COPh=2.79（制热）
（3）环保指标—△CO2、△SO2、△NOX、粉尘
本项目制冷期节能量： （2-3）
Ec为项目制冷期耗电量，根据前文估算，为120x10x378.5=454200kWh，由此可估算出TC为572292kWh，此部分能量为电能，根据国家发改委的数据火电厂1kWh的供电煤耗为360g标准煤，所以这部分能源所相当的标准煤当量为：206025kg。根据污染物排放定额（如表6）可算得相应气体的减排量，估算公式如下：
（2-4）
其中：表示相应污染物消减量
表示电能的污染物排放定额
由此可算得，制冷期各污染物减排量为：
△CO2=644401kg、△SO2=7039kg、△NOX=916kg、粉尘=4693kg。
项目供暖期节能量： （2-5）
Eh为项目制热期耗电量，根据前文估算，为120x10x490.5=588600kWh，由此可算得Th=1053594kWh。
此部分能量需转化为标准煤的量，根据换算关系，1kWh的电能相当于0.123kg的标准煤燃烧产生的热量，所以这部分能源所相当的标准煤当量为：129592kg
根据表6标准煤燃烧的排放定额，可估算出相应气体及粉尘污染的减排量，估算公式：
（2-6）
其中表示标准煤燃烧的排放定额
由此可算得：
△CO2=356378kg、△SO2=3888kg、△NOX=518kg、粉尘=2592kg。
综上，本项目每年节约的标准煤量为335617kg，相关气体污染的减排量为：
△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉尘=7285kg。
（4）综合指标——投资节能率
投资节能率估算中使用的节能参数为COP，表示的是热泵运行所节约的能源价值与投资额的比值，以此作为项目单位投资额节能能力的指标，估算过程如下：
制冷期节能量： （2-7）
tc为全年供冷时间（小时），代入具体数值得：
Tc=572292kWh
供暖期节能量同理，具体估算可得Th=1053594kWh
全年节能量及能源价值：依然取电能费用为0.55元/kWh。全年节能量为1625886kWh，其价值为894237.3元，此项目年值为886733元，则项目投资节能率：节能效益/投资额=100.8%
此数值的意义为，在本项目中每1元的投资能节约1.008元的能源费用。
2.4 经济分析
对徐州地区典型地源热泵系统进行了经济性分析，结果发现当该地源热泵系统节约的标准煤量为335617kg，全年节能量为1625886kWh，其价值为894237.3元。相关气体污染的减排量为：△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉尘=7285kg，节能环保效益明显。
3. 开发适宜性分区
3.1 分区原则
（1）地质条件为基础。地质条件是浅层地温能资源赋存的基础条件，岩土体的物理性质、热物理性质是形成浅层地温能资源的物质基础。（2）水文地质条件为依托。含水层分布、水动力条件和特点为能量的运移创造了有利的条件，地下水的作用不容忽视；含水层的水化学特征影响着浅层地温能资源的开发应用方式。（3）浅层地温能开发利用与地质环境保护相结合。如地质灾害易发区、生态及水源地保护区等。（4）经济与效益相结合。在当前经济技术条件下，选择经济与效益最优的区域及开发利用方式是理智的。（5）浅层地温能资源开发利用依存于政府的各种政策、法律法规和规划。
3.2 分区类型
目前对浅层地温能资源开发主要的利用方式为地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。由前文可知该区域属地下水源保护区，不具备地下水源热泵开发利用条件，仅适宜采用地埋管式地源热泵开发利用浅层地温能。徐州城市规划区地埋管地源热泵的适宜性分区划分为三级：适宜区、较适宜区及不适宜区。
3.3 分区评价方法
依据《浅层地温能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）对徐州城市规划区地埋管换热进行适宜性分区，分区评价方法如下表7。
考虑到徐州地区100m深度范围内卵石层总厚度基本上都不超过5m，故分区评价时只需对第四系厚度、含水層厚度因子进行评价即可。
3.4 开发适宜性分区综合评价
规划区仅适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用，适宜区主要分布在第四系地层大于100m且含水层厚度大于30m的规划区西北部；较适宜区主要分布在第四系后度小于30m或者50m～100m或者含水层总厚度10m～30m的规划区大部分区域都有分布；不适宜区主要分布在第四系厚度在30m～50m且含水层厚度小于10m的规划区东部和南部。
4. 浅层地温能资源评价
4.1 浅层地温能热容量
在浅层岩土体、水体中储存的单位温差热量称为浅层地热容量，通常采用体积法估算。估算主要参数有岩土体埋深、岩土体密度、比热容和孔隙率等。
经估算，规划区100m深度范围内浅层地温能热容量约为8.11×1014kJ/℃，相当于燃烧约27672万t标准煤获得的能量，每年减排量（CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘、灰渣）66911万t，节省环境治理费约769.6亿元，节能减排效益十分可观。
4.2 可利用资源量
从浅层岩土体、水体中单位时间内交换的热量称为浅层地热换热功率，可利用资源量通过浅层换热功率表示。 地源热泵型可利用资源量采用热传导法，根据规划区内地层岩性、地层结构等条件，计算地源型区域换热功率。规划区适宜区、较适宜区面积约为2798.1km2，孔间距取5m，双U型；地埋管地源热泵工程建设时，还要考虑建筑布局、建筑负荷需求、建筑占地面积、资源承载力等因素，本次计算考虑根据城市不同行政区的建设情况，相应的对地埋管建设的面积进行折减，折减系数为30%，则土地利用系数取3.43%～15.54%；经估算本区可安装换热孔为6326725个；根据现场热响应测试获得的可利用温差，计算周期为一个90天制冷期和一个90天制热期；经估算规划区100m地埋管地源热泵系统的总换热功率为7.47×107kW，其中夏季总换热功率为4.42×107kW，冬季总换热功率为3.05×107kW，若全部开发利用相当于每年可节约602万t标准煤，每年减排量（CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘、灰渣）1456万t，节省环境治理费约16.7亿元，节能减排效益十分可观。
4.3 资源潜力评价
资源潜力评价将在适宜性分区的基础上，结合浅层地温能的可利用资源量，考虑地源热泵的能效比（COP和EER），采用单位面积可利用资源量的供暖和制冷面积表示。当地普通住宅冬季热负荷、夏季冷负荷指标分别取50w/m2、80w/m2。
根据地埋管地源热泵换热方式和可利用资源量，规划区地埋管地源热泵的夏季总制冷面积为4.42×108m2，冬季总供暖面积为8.14×108m2。按照单位制冷面积评价估算，规划区地埋管地源热泵的潜力位于9.06×104m2/km2～4.48×105m2/km2。
5. 结论与建议
（1）徐州城市规划区浅层地温能资源量丰富，地层岩性、地下水、地质构造及气候等是区内浅层地温能主要赋存条件。可供开发利用资源量较大，预期节能减排的经济环境效益显著。
（2）规划区主要适宜地埋管地源热泵系统开发利用，区内地下水虽然丰富，但属于城市供水源地、地下水保护区，故不适宜采用地下水地源热泵系统开发利用。
（3）建议徐州城市规划区根据城市发展规划与布局，依据浅层地温能资源赋存条件和开发利用适宜性分区，编制完成浅层地温能资源开发利用方案，明确浅层地温能资源开发利用方向。
（4）建议启用其他辅助设备和方法（如：冷却塔和加热生活用水等）消除浅層地温能开发利用过程中引起的热堆积问题，提高浅层地温能的开发潜力，实现浅层地温能的可持续开发利用。
参考文献：
[1]中华人民共和国国土资源部. 浅层地热能勘察评价规范：DZ/T0225-2009[S]. 北京：中国标准出版社， 2009.
[2]韩再生， 冉伟彦. 城市地区浅层地温能评价方法探讨[J]. 城市地质， 2007， 2（4）：10-16.
[3]官煜， 陈循， 陈学锋，等. 安徽蚌埠城市规划区浅层地热能研究[J]. 地质学刊， 2014， 38（1）：88-93.
关键词： 浅层地温能； 城市规划区； 地温能容量； 可利用资源量； 资源潜力评价； 江苏徐州
Abstract： Through the shallow geothermal energy research in Jiangsu Province， Xuzhou city planning area， expounds the shallow geothermal geological condition， to investigate the distribution of shallow geothermal field in shallow geothermal energy exploration and evaluation standard of city planning area of shallow geothermal suitability zoning， shallow geothermal resource estimation and utilization potential evaluation， offers proposals for reasonable development and utilization of shallow geothermal resource.
Keywords： Shallow geothermal energy； Urban planning zone； ground temperature energy capacity； Available resources； Resource potential evaluation； Xuzhou， Jiangsu
浅层地温能是指近地表以下一定深度范围内，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源[1-3]。它是地热资源的重要组成部分，属清洁、安全、可再生能源，是国家重点支持开发利用的能源方向。
规划区为徐州市城市远期规划区，面积为3157km2，因规划区范围大，以徐州市主城区为本次重点研究区，主城区面积为641km2，外围以资料收集为主，研究深度为地表以下200m以浅。浅层地温能利用分为地埋管式和地下水式，规划区处于地下水水源保护区，故本文仅对规划区进行地埋管式适宜性评价。
1. 浅层地温能赋存条件
1.1 自然地理特征
规划区位于江苏省北部，地处黄泛平原，同时又位于鲁南山区南缘，属华北平原的一部分。总体地形特征：西北和东南部为平原区，中东部和西南部为低山丘陵及山前、山间平原区。地势总体微向东南倾斜。按地貌成因和形态特征，可划分为构造剥蚀—溶蚀地貌、剥蚀堆积地貌和堆积平原三大类型。
规划区地处北亚热带与暖温带之间过渡带，属湿润至半湿润季风气候区。日照充足、四季分明，春季气候多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季干燥寒冷。常年主导风向偏东风，冬天多西北风，夏天多东南风；徐州年气温14℃，一月平均气温-0.7℃，七月平均气温27℃，年均降水量800mm～930mm，雨季降水量占全年的56%，最大年降水量为1297mm，最小年降水量为259.5mm。
规划区地处古淮河的支流沂、沭、泗诸水的下游，以黄河故道为分水岭，北属泗运水系，南属濉河水系。境内河流纵横交错，湖沼、水库星罗棋布，北部主要地表水体有京杭运河、房亭河和微山湖，南部主要河流有闸河、奎河、运料河、闫河、琅溪河等。
1.2 地质概况
按大地构造位置，本区大地构造属于中朝准地台—淮河台坳—淮北台陷褶带—徐州—（宿县）弧形断褶带。山地、丘陵约占城市规划区总面积的20%，其余为广大第四系松散堆积物覆盖。
1.2.1 地层
徐州城市规划区内第四系分布较广泛，规划区内沉积类型有：冲积、冲—湖积、冲—洪积、湖—沼积、坡—洪积等（见表1）。地层属华北地层区鲁西分区徐州—宿县地层小区的一部分。上元古界青白口系新兴组（Pt3x）是区内最古老地层，其上依次是：青白口系（Qnt）、震旦系（Z），为一套滨浅海相碳酸盐岩—碎屑岩沉积；古生界寒武系（∈）、奥陶系下—中统（O1-2），组成区内山系的主体，主要为滨浅海相—台地相碳酸盐岩—碎屑岩沉积；缺失奥陶系上统—石炭系下统；上古生界石炭系上统（C2）、二叠系（P）为区域主要的含煤岩系，岩性为海陆交互相—滨海沼泽相的碳酸盐岩—含煤碎屑岩沉积建造；区内中生代地层发育不全，侏罗系上统（J3）、白垩系（K），为一套河湖相—火山盆地沉积相的陆源碎屑—火山沉积建造；区内第四系发育程度不均，受基岩起伏面和古地理环境的变化影响，其厚度变化较大：微山湖—卧牛山以西40m～140m；潘塘—棠张一带40m～65m；其他地区10m～40m，以冲洪积、冲湖积为主，主要分布在平原区，上覆于基岩以上（图1）。
1.2.2 地质构造
规划区位于徐（州）—宿（县）弧形断褶带中北段，东距郯庐深大断裂带约100km。在区域上南北向挤压与扭转作用下，形成区内独特的徐州弧形构造样式。
规划区内断裂构造主要有两组，一组呈北东—北北东向的压、压扭性纵向断裂，走向基本与弧形褶皱近于平行，主要发育复式褶皱构造的翼部或向斜构造的核部，多数为逆掩形成的叠瓦状构造；另一组是北西、北西西向的张、张扭性断裂构造，横切北东—北北东向褶皱与断裂构造。
规划区断裂构造组合特征對浅层地温能赋存条件有重要影响，进一步影响了浅层地温能资源的储集和分布特征。 1.3 浅层地温场特征
1.3.1 地温场垂向分布特征
地壳浅层地温场在垂向上的变化特征受地层岩性、结构、孔隙率、当地气候、地下水活动等多种因素的影响，自上而下依次为变温带、恒温带和增温带。
恒温带是太阳的辐射与地球的内热二者相互影响达到平衡状态，地温相对保持恒定，不随时间变化。规划区恒温带埋深在20m～30m，恒温带温度16.6℃～17.1℃，恒温带温度比徐州年平均气温略高2.6℃～3.1℃。
变温带的温度受太阳辐射影响，呈现四季变化，与气温呈现高度一致性，即一月份最低，平均地温0.4℃，七月份最高，平均地温27.1℃，1月～7月逐渐升高，7月～12月逐渐降低的趋势。年平均温差26.7℃，从地表往下温度逐渐降低，地温梯度2.0℃/100m～2.3℃/100m。
增温带的温度主要由地球内热控制，基本不受大气温度变化影响。一般情况下，地温随深度增加而增高，但不呈线性增加，而是地温梯度随深度增大而逐渐变小，地温梯度平均最高2.70℃/hm，平均2.28℃/hm。
1.3.2 地温场平面分布特征
规划区20m埋深深度的地温普遍低于19℃，温度范围基本在17.0℃～19.0℃，其中西部区域地温高于17.5℃，中东部绝大部分区域地温低于17.5℃。总体而言，规划区20m深度地温平面分布规律大致是西高东低（图2）。
1.3.3 岩土热物性特征
采集测试样41件进行热物性测试，导热系数1.34W/（m·K）～2.81W/（m·K），比热容0.86kJ/（kg·K）～1.64kJ/（kg·K），导温系数1.46～3.85×10-3m2/h，密度1760kg/m3～2870kg/m3，含水率0.09%～26.2%，孔隙率0.073～0.452。测试结果显示，不同岩性的岩土样其热物性参数有明显差异（见表2）。
1.3.4 岩土热响应特征
根据规划区地貌和地层的异同，共进行了5组单孔热交换测试，由于规划区岩性以灰岩为主，地源热泵多布设于灰岩区，根据热响应实验结果，岩土体导热系数主要受岩性影响，5组测试数据显示导热系数2.11W/（m·K）～2.75W/（m·K）。根据热响应实验结果，岩土体导热系数主要受岩性影响，不同岩性的岩土样其热物性有明显差异，单孔换热量夏季62W/m～78W/m，冬季46W/m～50W/m，潘塘盆地换热量较低，仅相当于其余区域的70%左右。总体来看测试孔热导率数值较高，适宜于地埋管地源热泵开发利用条件（见表3）。
1.4 浅层地温能影响因素分析
通过在规划区地质钻探、岩土热物性测试、现场热响应试验、布设地温场长期监测点等方法措施取得了翔实数据。经统计分析得出，区内地层岩性、地下水、地质构造及气候等是浅层地温赋存条件，同时也是构成地温场分布及其变化的主要影响因素。其中以灰岩为主的固结岩类具有较高的导热系数；地下室良好的储温载体，同时也是良好的热传递介质；变温带地温随气候因素变化而变化，地温场在垂向及平面上分布特征的差异性，间接地影响到不同区域的浅层地温能热容量。
2. 开发利用现状
2.1 项目概况
徐州市植物园工程项目位于徐州市平山路东侧，豪绅一百居住小区南侧，环境优美，交通便利，地理位置优越。本项目为徐州市植物园生态自然馆空调热泵项目，建筑面积3180m2，设计热负荷1370kW，配置有2台螺杆式地源热泵机组的地源热泵系统，概况信息如表4、表5所示。
2.2 基础数据采集与估算
本项目一次性初始投资约为600万，折合单位建筑面积投资1887元/m2。
運行费用由于并没有直接获取到相关数据，现在采取根据设备功率预估的方法估算，运行费用包括：能源费（主要）、设备基本维护费估算：根据设计书，系统运行时间为夏季制冷120天、冬季供暖120天。期间系统每天运行时间折算为满负荷运行时间12小时，电费按每度电0.55元估算，那么，年运行能源费用为：
（120×378.5+120×490.5）×10×0.55=573540（元）
设施维护保养费估算：据该项目物业负责人提供的经验数据，年设备保养费按照设备费总额的2%估算，按照工程经验设备费用一般占一次性总投资的2/3，那么设备保养费用约为8万元
所以，该项目运行费用总计为653540元，均摊值单位建筑面积为205.5元/m2。
2.3 指标估算
（1）经济指标—动态费用年值AW
估算公式为： （2-1）
式中，i为银行利率，取3%，n为使用寿命，本项目中取50年，C0为初始投资600万元，C为年运行费用653540元；
代入估算，可得该项目费用年值AW为：886733元；
均摊至单位建筑面积费用年值为：278.8元/m2；
年值指标的引入使得不同寿命期的项目之间可以进行比对，因为年值已经将初始投资及运行费用按照一定收益率均摊到每个年份，这样即使两个项目的寿命不同，其经济效应也可通过这个值进行比较。
（2）节能指标—能效比COP
这两个值反映的都是地源热泵节能的能力，但分别表示的意义有所差别，其中，COP 表示的为热源效率，其估算表达式为：
（2-2）
其中：Qh表示热源输出功
W表示热源输入功
C表示建筑物冷（热）负荷
P表示设备功率
S表示面积
由建筑物概况信息可知，该建筑物冷热负荷分别为：
270w/m2（冷）、430w/m2（热）
根据该项目设备相关参数，两台热泵机组的供热效率可以承担建筑负荷，所以根据系统设备总输入功率，可算得该系统的能效比： COPc=2.26（制冷）、COPh=2.79（制热）
（3）环保指标—△CO2、△SO2、△NOX、粉尘
本项目制冷期节能量： （2-3）
Ec为项目制冷期耗电量，根据前文估算，为120x10x378.5=454200kWh，由此可估算出TC为572292kWh，此部分能量为电能，根据国家发改委的数据火电厂1kWh的供电煤耗为360g标准煤，所以这部分能源所相当的标准煤当量为：206025kg。根据污染物排放定额（如表6）可算得相应气体的减排量，估算公式如下：
（2-4）
其中：表示相应污染物消减量
表示电能的污染物排放定额
由此可算得，制冷期各污染物减排量为：
△CO2=644401kg、△SO2=7039kg、△NOX=916kg、粉尘=4693kg。
项目供暖期节能量： （2-5）
Eh为项目制热期耗电量，根据前文估算，为120x10x490.5=588600kWh，由此可算得Th=1053594kWh。
此部分能量需转化为标准煤的量，根据换算关系，1kWh的电能相当于0.123kg的标准煤燃烧产生的热量，所以这部分能源所相当的标准煤当量为：129592kg
根据表6标准煤燃烧的排放定额，可估算出相应气体及粉尘污染的减排量，估算公式：
（2-6）
其中表示标准煤燃烧的排放定额
由此可算得：
△CO2=356378kg、△SO2=3888kg、△NOX=518kg、粉尘=2592kg。
综上，本项目每年节约的标准煤量为335617kg，相关气体污染的减排量为：
△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉尘=7285kg。
（4）综合指标——投资节能率
投资节能率估算中使用的节能参数为COP，表示的是热泵运行所节约的能源价值与投资额的比值，以此作为项目单位投资额节能能力的指标，估算过程如下：
制冷期节能量： （2-7）
tc为全年供冷时间（小时），代入具体数值得：
Tc=572292kWh
供暖期节能量同理，具体估算可得Th=1053594kWh
全年节能量及能源价值：依然取电能费用为0.55元/kWh。全年节能量为1625886kWh，其价值为894237.3元，此项目年值为886733元，则项目投资节能率：节能效益/投资额=100.8%
此数值的意义为，在本项目中每1元的投资能节约1.008元的能源费用。
2.4 经济分析
对徐州地区典型地源热泵系统进行了经济性分析，结果发现当该地源热泵系统节约的标准煤量为335617kg，全年节能量为1625886kWh，其价值为894237.3元。相关气体污染的减排量为：△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉尘=7285kg，节能环保效益明显。
3. 开发适宜性分区
3.1 分区原则
（1）地质条件为基础。地质条件是浅层地温能资源赋存的基础条件，岩土体的物理性质、热物理性质是形成浅层地温能资源的物质基础。（2）水文地质条件为依托。含水层分布、水动力条件和特点为能量的运移创造了有利的条件，地下水的作用不容忽视；含水层的水化学特征影响着浅层地温能资源的开发应用方式。（3）浅层地温能开发利用与地质环境保护相结合。如地质灾害易发区、生态及水源地保护区等。（4）经济与效益相结合。在当前经济技术条件下，选择经济与效益最优的区域及开发利用方式是理智的。（5）浅层地温能资源开发利用依存于政府的各种政策、法律法规和规划。
3.2 分区类型
目前对浅层地温能资源开发主要的利用方式为地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。由前文可知该区域属地下水源保护区，不具备地下水源热泵开发利用条件，仅适宜采用地埋管式地源热泵开发利用浅层地温能。徐州城市规划区地埋管地源热泵的适宜性分区划分为三级：适宜区、较适宜区及不适宜区。
3.3 分区评价方法
依据《浅层地温能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）对徐州城市规划区地埋管换热进行适宜性分区，分区评价方法如下表7。
考虑到徐州地区100m深度范围内卵石层总厚度基本上都不超过5m，故分区评价时只需对第四系厚度、含水層厚度因子进行评价即可。
3.4 开发适宜性分区综合评价
规划区仅适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用，适宜区主要分布在第四系地层大于100m且含水层厚度大于30m的规划区西北部；较适宜区主要分布在第四系后度小于30m或者50m～100m或者含水层总厚度10m～30m的规划区大部分区域都有分布；不适宜区主要分布在第四系厚度在30m～50m且含水层厚度小于10m的规划区东部和南部。
4. 浅层地温能资源评价
4.1 浅层地温能热容量
在浅层岩土体、水体中储存的单位温差热量称为浅层地热容量，通常采用体积法估算。估算主要参数有岩土体埋深、岩土体密度、比热容和孔隙率等。
经估算，规划区100m深度范围内浅层地温能热容量约为8.11×1014kJ/℃，相当于燃烧约27672万t标准煤获得的能量，每年减排量（CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘、灰渣）66911万t，节省环境治理费约769.6亿元，节能减排效益十分可观。
4.2 可利用资源量
从浅层岩土体、水体中单位时间内交换的热量称为浅层地热换热功率，可利用资源量通过浅层换热功率表示。 地源热泵型可利用资源量采用热传导法，根据规划区内地层岩性、地层结构等条件，计算地源型区域换热功率。规划区适宜区、较适宜区面积约为2798.1km2，孔间距取5m，双U型；地埋管地源热泵工程建设时，还要考虑建筑布局、建筑负荷需求、建筑占地面积、资源承载力等因素，本次计算考虑根据城市不同行政区的建设情况，相应的对地埋管建设的面积进行折减，折减系数为30%，则土地利用系数取3.43%～15.54%；经估算本区可安装换热孔为6326725个；根据现场热响应测试获得的可利用温差，计算周期为一个90天制冷期和一个90天制热期；经估算规划区100m地埋管地源热泵系统的总换热功率为7.47×107kW，其中夏季总换热功率为4.42×107kW，冬季总换热功率为3.05×107kW，若全部开发利用相当于每年可节约602万t标准煤，每年减排量（CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘、灰渣）1456万t，节省环境治理费约16.7亿元，节能减排效益十分可观。
4.3 资源潜力评价
资源潜力评价将在适宜性分区的基础上，结合浅层地温能的可利用资源量，考虑地源热泵的能效比（COP和EER），采用单位面积可利用资源量的供暖和制冷面积表示。当地普通住宅冬季热负荷、夏季冷负荷指标分别取50w/m2、80w/m2。
根据地埋管地源热泵换热方式和可利用资源量，规划区地埋管地源热泵的夏季总制冷面积为4.42×108m2，冬季总供暖面积为8.14×108m2。按照单位制冷面积评价估算，规划区地埋管地源热泵的潜力位于9.06×104m2/km2～4.48×105m2/km2。
5. 结论与建议
（1）徐州城市规划区浅层地温能资源量丰富，地层岩性、地下水、地质构造及气候等是区内浅层地温能主要赋存条件。可供开发利用资源量较大，预期节能减排的经济环境效益显著。
（2）规划区主要适宜地埋管地源热泵系统开发利用，区内地下水虽然丰富，但属于城市供水源地、地下水保护区，故不适宜采用地下水地源热泵系统开发利用。
（3）建议徐州城市规划区根据城市发展规划与布局，依据浅层地温能资源赋存条件和开发利用适宜性分区，编制完成浅层地温能资源开发利用方案，明确浅层地温能资源开发利用方向。
（4）建议启用其他辅助设备和方法（如：冷却塔和加热生活用水等）消除浅層地温能开发利用过程中引起的热堆积问题，提高浅层地温能的开发潜力，实现浅层地温能的可持续开发利用。
参考文献：
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[3]官煜， 陈循， 陈学锋，等. 安徽蚌埠城市规划区浅层地热能研究[J]. 地质学刊， 2014， 38（1）：88-93.