引言2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。能源清洁低碳、安全高效利用将成为“十四五”时期主要发展目标。湖南省传统能源禀赋不足，缺电少煤，无油乏气，太阳能资源一般，全省75%以上的能源需要外购，属于典型的能源输入型省份，严重制约了湖南省经济的高质量发展。浅层地热能资源丰富，分布范围广，可利用率高，温度四季相对恒定，浅层地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，其储量巨大、分布广泛、清洁环保、稳定可靠、温度四季相对恒定等，是一种现实可行且具有竞争力的清洁低碳能源。湖南省14个地州市地热能资源都有分布，浅层地热能年可利用量高达14 991.28万吨标准煤，是全国最适宜开发利用的地区之一[1]。为此，湖南省住建厅等四部门联合下发《关于大力推进浅层地热能在建筑中应用试点工作的通知》，明确2020年至2022年，在全省开展为期3年的浅层地热能建筑应用试点，以试点带动全面发展，全省逐步实现浅层地热能建筑规模化应用。1湖南省浅层地热能建筑应用现状和问题分析浅层地热能资源是蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源[2]。浅层一般为地下200 m埋深以内，储存在岩土体、地下水或地表水（含城市污水和中水）中，具有开发利用价值的地球内部热能资源。浅层地热能温度恒定，一般为8 ℃～30 ℃，既可供暖，也可制冷，具有分布广泛、清洁环保、安全可靠、供能稳定、再生迅速等特征。湖南省浅层地热能资源丰富，在14个地、州、市均有分布，主要以中低温地热资源为主，是全国最适宜开发利用的地区之一。按照目前浅层地热能的开发利用方式，主要采用热泵技术为建筑供冷、供暖和供生活热水，热泵技术分为地下水源地源热泵技术、土壤源地源热泵技术、地表水水源热泵技术以及污水水源热泵技术共计四大类。除地下水源热泵系统只适宜在长沙、岳阳、常德、株洲、益阳等5个地区发展之外，其余大部分地区均可因地制宜发展地埋管、地表水和污水等浅层地热能系统[1]。自2009年以来，湖南省共获批国家可再生能源建筑应用示范城市7个，示范县13个，集中连片示范区（示范镇）1个，可再生能源建筑应用省级推广示范县3个，获批示范面积约2 177万m2，打造了一批示范工程，储备了专业人才、积累了技术经验，具备规模化推广应用的基础条件。如长沙铜官窑遗址博物馆项目采用土壤源地源热泵技术，创建了绿色建筑三星级设计标识；隆平水稻博物馆采用河水源热泵技术，创建了绿色建筑三星级设计标识；汉寿县人民医院项目采用了地下水源热泵技术；马栏山视频文创园智能慧能源站北站采用了原生污水源热泵技术等，成功经验对湖南省在建筑领域内规模化应用浅层地热能具有积极推广意义。在成功经验积累过程中，浅层地热能规模化开发利用过程中依然突出很多问题亟待解决：（1）没有对湖南省进行全区域内系统的开展勘查评价和分析，导致在对地源热泵的利用方面缺乏合理的科学依据，加大了开发利用风险，具有一定的盲目性；（2）项目在后期运行过程中监测不到位，导致地下水水位下降、土壤温度失衡、地表水温度改变等一系列问题，对生态造成一定程度的破坏；（3）规划设计不到位，项目没有进行统一规划，甚至没有做浅层地热资源勘探和充分的论证仓促上马导致项目失败。2望城区浅层地热能建筑规模化开发利用保障措施以建设“冬暖夏凉”幸福新望城为使命，引领湖南省浅层地热能建筑规模化开发利用，采取多举措保障浅层地热能可持续性开发应用，具体措施如下：（1）政府领导牵头推动浅层地热能开发利用。组织领导强化，组建区浅层地热能开发利用工作领导小组。由区长任工作领导小组组长，主管副区长任工作领导小组副组长，由各职能部门任工作领导小组成员，并由望城区住房和城乡建设局局长任办公室主任，推进全区浅层地热能开发利用工作。（2）建立起浅层地热能开发部门联络机制。完成编制《长沙市望城区浅层地热能开发利用试点工作方案》，建立全区浅层地热能开发部门联络机制，责任落实到具体部门，保障浅层地热能有序开发，实现可持续发展。（3）坚持顶层设计、规划先行，避免无序开发、无序推进。科学严谨地对滨水新城区域内浅层地热资源现状进行调研和评估，编制《长沙市望城区浅层地热能开发利用试点实施方案（2020-2025）》和《长沙市望城区滨水新城浅层地热能开发利用专项规划》，引领浅层地热能的开发利用。（4）梳理重点项目，打造示范，积累可复制、可推广的经验。确定望城区人民医院迁改、望城区行政中心改造等项目作为试点项目实施，鼓励片区内新建企业总部基地、城市综合体等具有社会影响力的项目纳入试点项目范畴。（5）聘请专业技术人员提供技术保障。聘请省内浅层地热能开发利用经验丰厚的设计单位为望城区浅层地热能开发利用技术支撑单位，并派两位专业技术人员常驻望城区住房和城乡建设局地热办开展浅层地热能开发技术审查等工作。3滨水新城浅层地热能开发利用总体方案3.1项目概况望城区滨水新城规划范围面积约31.4 km2，位于长沙北翼的望城东南部。滨水新城是湘江新区的核心板块和湖南省海绵城市试点地区。滨水新城现状以农田、村宅、水塘、水渠为主，少量的商业、居住和工业用地。其中商业和居住等主要集中在三环线以南、金星北路以东和雷锋大道附近。现状大部分地区处于未开发或农业利用的状况，地势有一定起伏，水系丰富，河、塘、渠众多。3.2供能分区滨水新城内分布有大泽湖、马桥河、东湖湿地公园、防护绿地构成了区域能源供能分区自然分界线，综合考虑合理的供能半径及片区内整体开发时序等要求，将滨水新城片区由南向北划分为8个供能区，即供能区A至供能区H区。分区划分及建筑概况分别如表1和图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.022.T001表1滨水新城各供能分区建筑面积统计项目开发情况商业住宅办公学校医院体育文化交通枢纽小计A供能区未批18.990.131.213.40.018.40.0171.9已建101.8491.446.217.60.00.00.0657.0B供能区未批51.184.416.012.50.08.60.0172.5已建6.334.40.021.019.10.00.080.7C供能区未批28.6125.157.910.60.928.80.0252.0已建0.03.00.00.00.00.00.03.0D供能区未批57.3361.71.651.12.72.10.0476.5已批0.00.04.74.40.00.00.09.1E供能区未批59.996.4160.50.00.02.40.0319.2已批0.00.00.00.00.00.00.00.0F供能区未批19.3272.214.714.30.07.50.0328.1已批0.02.40.00.00.00.00.02.4G供能区未批85.8308.519.418.819.823.10.0475.5已批11.0164.00.015.40.00.00.0190.4H供能区未批21.494.24.35.14.923.50.0153.4已批0.027.20.05.612.30.011.756.7总计未批342.41 432.5305.6125.928.4114.44.42 353.6已批119.0722.350.864.031.40.011.7999.2万m210.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.022.F001图1滨水新城供能分区3.3空调负荷估算采用面积负荷指标法与能耗动态模拟法相结合方式：首先对各类典型建筑进行全年8 760 h动态负荷计算，确定最大负荷日各时刻冷、热负荷系数，结合面积负荷指标法得出区域内各类建筑叠加冷、热逐时负荷；同时考虑各类建筑同时使用系数，最终得出各供能分区空调冷、热负荷值，各供能区空调负荷估算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.022.T002表2滨水新城供能分区负荷统计项目供能面积/万m2冷负荷/MW热负荷/MW总计1 221.6553.7348.8A供能区158.542.827.3B供能区160.148.327.6C供能区241.470.843.4D供能区425.477.559.3E供能区319.2126.065.9F供能区313.750.842.7G供能区240.791.750.7H供能区160.645.831.93.4浅层地热能利用思路（1）优先并用足污水处理厂的尾水。滨水新城在南北两侧分别拥有岳麓污水处理厂和望城污水处理厂，污水处理规模均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）准IV类标准（TN≤10 mg/L）。岳麓污水处理厂的2根DN2200的尾水排水管穿越整个滨水新城范围，自南向北沿潇湘大道敷设排放至湘江航电综合枢纽的下游。根据岳麓污水处理厂提供的2019年全年温度监测数据得出：供冷期污水最高温度为29.9 ℃、平均温度26 ℃；供暖期最低温度为10.2 ℃、平均温度13.5 ℃。长沙岳麓污水处理厂2019年全年温度监测数据如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.022.F002图2长沙岳麓污水处理厂2019年全年温度监测数据岳麓污水处理厂远期规划污水量60 万t/d，设东线和西线2根尾水管排放，按东、西线尾水管流量相等考虑，2根尾水管单根平均秒流量3.472 m3/s，冬季按5 ℃温差取热，共可提供72.6 MW热量；夏季按7 ℃温差取冷，共可提供102.1 MW冷量。望城污水处理厂现状处理规模为12 万t/d，可提供冷量40. 8 MW、可提供热量29.2 MW；远期规划规模为44 万t/d，可提供冷量149.7 MW，可提供热量106.9 MW。（2）沿江区域避开饮用水保护区，充分利用江水资源。滨水新城依湘江而建，自南向北拥有约20 km湘江沿岸线。湘江位于项目区东侧，区内全长19.14 km，平均水面宽度1 300 m。湘江长沙水文站断面历年最大流量20 800 m3/s，最小流量263 m3/s，平均流量1 97 0 m3/s，最大流速2.5 m/s，最小流速0.5 m/s，平均流速1.7 m/s。湘江（新马桥河入河口）断面水位为36.29 m(百年一遇)、35.79 m（50年一遇）、35.05 m（20年一遇）、34.67 m（10年一遇）。长沙综合枢纽蓄水后，湘江水位常年维持在29.7 m（56黄海高程系统）。经统计，湘江河段水温多年平均为20.4 ℃，夏季供冷时段（5～10月）水温为22.4 ℃~28.5 ℃，平均为27.0 ℃；冬季供热时段（11月～次年3月）水温为8.4 ℃~14.4 ℃，平均为12.8 ℃。（3）结合周边绿地、停车场，适当采用地埋管地源热泵。长沙市适宜开发地埋管地源热泵，适宜区面积占62.6%，较适宜区占33.9%，不适宜区仅占3.5%[3]。长沙地区地层主要为页岩，根据望城区内的长沙铜官窑遗址博物馆项目实施情况，该项目岩土恒温层温度为19.4 ℃，空调埋管每延米孔深的夏季换热量为66.2 W/m，冬季换热量为46.3 W/m，非常适合应用土壤源热泵技术。同时滨水新城片区内规划有大量的公园用地、防护绿地及社会停车场等，具有地埋管地源热泵实施的条件。3.5浅层地热能利用工艺方案浅层地热能利用工艺方案遵循“因地制宜、多能互补”的原则，避免“高成本开发、低效率运行”现象发生，浅层地热能利用供冷技术占比达到77.5%，供热技术占比达到79.9%，各区域浅层地热能利用工艺方案如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.022.T003表3各分区浅层地热能利用工艺方案及技术占比项目浅层地热能利用技术总冷热负荷/MW浅层地热能供应占比/%冷负荷热负荷冷量热量总计553.7349.777.579.9A供能区地埋管地源热泵42.827.312.920.0B供能区污水源热泵48.327.664.080.0C供能区污水源热泵70.843.468.780.0D供能区污水源热泵77.559.3100.0100.0E供能区江水源热泵126.065.9100.0100.0F供能区地埋管地源热泵50.842.716.720.0G供能区江水源热泵91.751.6100.0100.0H供能区污水源热泵45.831.988.4100.0A区位于滨水新城最南侧，区域内大片地块已出让，不再有大面积的供能需求；同时，该区域内有银星湾公园等绿地，故工艺方案考虑充分利用土壤源热泵系统。A区总冷负荷为42.8 MW，总热负荷为27.3 MW，A区土壤源热泵设计承担热负荷的20%，不足部分由其他能源补充。B、C区位于岳麓污水处理厂尾水管东侧，总冷、热负荷分别为119.1 MW和71 MW，可以充分利用东线尾水资源。考虑到尾水流量存在波动性，尾水设计取水量按东线尾水设计流量的80%计算，负荷不足部分由其他能源补充。D站位于岳麓污水处理厂尾水管西侧，夏季冷负荷达77.5 MW，冬季热负荷达59.3 MW。设计利用西线尾水资源全部满足该站点的全部供冷和供热需求，该站用掉西线尾水量（按夏季和冬季最大取水量计算）的81.7%。E区和G区东临湘江，可避开湘江饮用水保护地，在E区和G区设计江水源热泵系统，利用江水源满足该两个站点的全部供冷和供热需求。E站设计取水量为6 m3/s、G站设计取水量为4.4 m3/s。F供能区位于滨水新城中北部，区域只有大量防护绿地，总冷负荷为50. 8MW，总热负荷为42.7 MW，工艺方案考虑适当利用土壤源热泵系统，土壤源热泵按提供热负荷的20%计算，不足部分由其他能源补充。H区位于滨水新城最北端，靠近望城污水处理厂，设计总冷负荷为45.8 MW，总热负荷为31.9 MW，可就近引入望城污水处理厂的尾水提供该区域全部的供冷和供热需求。3.6效益分析将浅层地热能和建筑相结合，符合资源节约、环境友好的绿色发展理念，是绿色住建的内在要求。浅层地热技术能的开发利用对于促进建筑行业的转型升级、推动绿色住建切实深入发展具有极为重要的意义。对于缺电少煤、无油无气，地热资源却较丰富的湖南而言，显得尤为现实和迫切。望城区大力开展浅层地热能建筑规模化应用也将带来显著的社会、经济、环境效益。（1）社会效益。浅层地热能与区域能源建设相结合，在建筑领域规模化应用，有利于降低夏季和冬季用电及用气高峰缺口；对于“十四五”时期调整能源结构，由高碳能源向低碳能源、由化石能源向可再生能源转变具有重要意义。同时，可解决南方冬季供暖矛盾，促进望城区生活高质量发展。（2）经济效益。利用不同类型建筑空调负荷错时、错峰特点，有效降低区域内制冷、制热总负荷，减小设备安装容量，节省总投资费用，降低开发商投资费用，增加商业价值；区域能源建设优先利用浅层地热能冷、热源系统，结合冷热电三联供系统梯级利用，配置一定量的常规电制冷和燃气锅炉系统，实现多能互补。利用峰谷电价和峰谷气价灵活供能方式，也可大幅度降低年运行费用。（3）节能减排效益。设计污水源热泵、江水源热泵及土壤源热泵等多种浅层地热能利用方式，采用燃气和电制冷等常规能源进行补充等复合能源方式。相比常规燃气锅炉和电制冷，冬季增加了少量电力消耗，增加耗电量3 725.5万kWh，同时减少燃气消耗1 844.11万m3，年综合节能标准煤8 917.2万t，年可减少CO2排放量22 230.58 t、SO2排放量668.79 t、NOX排放量334.40 t和烟尘排放量6 063.70 t。4结论与展望浅层地热能作为一种清洁、绿色和低碳能源，发展前景十分广阔。经过近10年的示范应用，湖南省浅层地热能开发利用已取得了初步成效，但在浅层地热能的开发利用过程中出现的问题也不容忽视。因此，要使浅层地热能建筑规模化应用工作健康有序、可持续性开展，顶层设计引导、组织领导强化、政策资金保障、典型示范推广等工作是重中之重。望城区作为湖南省浅层地热能建筑规模化应用试点区域，应做好表率，积极分享建设过程中的经验，遵循“取热不取水”的基本开发原则，引领湖南省浅层地热能建筑规模化应用建设。