钱七虎：利用地下空间助力发展绿色建筑与绿色城市

引言

当今世界迎来了绿色发展时代，习近平总书记提出的绿色发展理念是习近平新时代中国特色社会主义思想的主要组成部分。党的十八大以来，党中央提出了一系列治国理政新理念、新思想、新战略，把生态文明建设和绿色发展提到新的战略高度；党的十八届五中全会更是把绿色列入中国国家建设发展的五大理念之中。中国的绿色发展正在进入世界绿色发展的先进行列。地下空间是一个巨大而丰富的空间资源，对其进行合理开发利用能够促进我国的绿色发展。本文从节约土地、利用地热能、节水、绿色城市基础设施（包括绿色客运城市交通和城际交通，未来城市货运交通，绿色城市污水、雨洪蓄排系统，绿色城市垃圾集运和处理系统，智慧地下综合管廊，城市智慧行车系统）等方面分析说明如何利用地下空间发展绿色建筑与绿色城市，并介绍如何进行地下空间的开发规划。

绿色建筑与绿色城市：绿色建筑和绿色城市的定义在国际上尚无共识。

绿色建筑 

根据《绿色建筑评价标准》，绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材），保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。简而言之，即“四节一环保”的建筑。

绿色城市 
绿色城市一方面是“绿色建筑规模化的一个必然结果”；另一方面，因为城市要素除了建筑之外，还包括交通等城市基础设施以及自然环境和社会环境等，所以其内涵还应扩展到其他城市要素。绿色城市的实质可概括为：实现更高水平的生态平衡，大幅减少环境污染并使自然资源得到更为合理的配置，同时形成可持续的生态安全保障体系，从而降低城市发展成本，建立起一种自然与社会高度和谐融合、功能高度复合的城市模式。与绿色建筑的概念相比，绿色城市在节约资源、能源、保护自然之外还加入了社会学范畴的概念，将在西方城市规划领域一直关注的犯罪率、邻里交往、社会和谐发展等命题也一并纳入。二者关系为：绿色城市=绿色建筑+绿色城市基础设施+绿色城市自然环境（蓝天、绿水、青山、净土）+绿色社会环境。绿色城市的目标是促进城市可持续发展，提高城市的宜居水平。

利用地下空间发展绿色建筑与绿色城市

节约土地 

我国现行耕地红线为1.2亿hm2(18亿亩），而既有耕地为1.239亿hm2(18.58亿亩），城镇化发展面临无地可用的困境，解决土地问题存在必要性与紧迫性。因此，需要推动地上地下2个城市建设，破解城市发展空间不足的问题。
城市节约土地的一个主要方面在于宏观上努力实现土地的多重利用。土地的多重利用可沿2个方向实施：1）城市无建筑土地的额外利用；2）城市已建成区域的紧密化和功能变化。开发利用地下空间，即把城市交通（地铁和轨道交通、地下快速路、越江和越海湾隧道）尽可能地转入地下，把其他一切可以转入地下的设施（如停车库、污水处理厂、商场、餐饮、休闲、娱乐、健身等）尽可能建于地下，就可实现土地的多重利用，提高土地利用效率，实现节地的要求。地下空间潜力巨大，能为节约土地提供良好的条件。我国已有许多城市对地下空间进行了开发利用，如南京的玄武湖隧道、九华山隧道，深圳的前海合作区；深圳的福田地下交通枢纽是国内最大的“立体式”交通综合换乘站，汇集了地铁2、3、11号线，以及广深港客运专线福田站，是集城市公共交通、地下轨道交通、长途客运、出租小汽车及社会车辆于一体并与地铁竹子林站无缝接驳的立体式交通枢纽换乘中心，地下枢纽空间总建筑面积约13.73万㎡，相当于192个足球场的面积；杭州钱江新城核心区地下城以波浪文化城（10万㎡）和地铁1、2 号线换乘站为骨干，地下空间总量达到200万㎡。据初步统计的最新数据，北京、上海、深圳地下空间开发规模分别达到9 600万、9 400万、5 200万㎡，近5年平均增长分别为410万、650万、680万㎡。

利用地热能

地下换热系统地温能指的是地层中温度小于25 ℃的地层热能。当到达地下一定深度时（5 m以下），四季的地层温度保持在一稳定值，此时把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，利用传热循环介质与大地进行热交换，从而提取地温能，形成地下换热系统。地下换热系统可埋设在地下结构的基坑围护结构（地下连续墙、排桩内）、基础底板下、桩基（钻孔灌注桩、预制桩、PHC桩等）内；可埋设在新奥法施工的隧道衬砌内或以能源锚杆的形式埋设在其围岩中；也可埋设在地铁区间隧道内、地下输水管道内。

能源隧道
能源隧道是指一种利用隧道衬砌内的热交换管路来提取隧道空气热能或隧道围岩中的地热能，实现隧道附近建筑的供热/制冷服务的技术。

能源隧道工作原理是： 热交换管由分、集水管与地源热泵前端相连，形成封闭系统，系统内注满循环介质（含防冻液），在水泵的驱动下，热交管内的循环介质在管内循环流动，吸收围岩中的地热能或空气热量，经热泵提升后，用于隧道内部或者周围建筑物的制冷/取热。能源隧道具有以下优势：1）具有结构和暖通双重功能，比传统空调系统节能30%以上；2）节能环保，无噪音污染，占地少，成本低；3）能解决寒区隧道的冻胀和结冰等病害问题。

工程实例

1）奥地利政府资助的能源地铁车站示范工程1984—2004年桩基埋管数量变化如图5所示。该车站位于Lainzer隧道LT24区，一共有59根桩基内埋设热交换管，钻孔灌注桩桩径为1.2 m，桩长平均为17.1 m，利用6台热泵为附近一所学校供暖。在长期供暖的情况下，车站能提供150 kW的热负荷，一个供暖季度可提供2.14×108 kW·h的能量，天然气的使用量每年减少34 000 m³，使每年CO2排放量减少30 t。与传统的靠燃烧天然气供暖的方式比较，可使学校每年用作取暖的费用降低1万美元。

2）瑞士Grabs的PAGO公司办公楼采用570根桩基内埋设热交换管，平均桩长12 m，以4个能源桩为一组，呈方型顶角安装，四边间距为1.4 m。每延米桩基冬天可获得35 kW·h的热量，夏天获得40 kW·h的冷量。3）上海自然博物馆新馆位于上海市静安区静安雕塑公园内，近北京西路、石门二路，占地面积约为12 000 ㎡，总建筑面积约为45 086 ㎡，其中地上建筑面积为12 128 ㎡，地下建筑面积为32 958 ㎡。建筑总高度为18 m，地上3层，地下2层，采用地源热泵系统承担建筑部分夏季冷负荷以及冬季热负荷。夏季土壤换热器最大热负荷为1 639 kW·h，冬季土壤换热器最大热负荷为1 178 kW·h。工程采用灌注桩和地下连续墙内埋管2种形式。其中，灌注桩内埋管393个，平均桩长为45 m，采用W型埋管；地下连续墙内埋管共452个，采用W型埋管。灌注桩及地下连续墙内埋管布置。

上海自然博物馆已于2015年投入运营，该馆采用了地下结构内埋管热交换系统，初投资比传统的冷水机组+锅炉系统增加210.2万元，但该系统利用地温能实现了建筑制冷和供暖，年运行费用可节省22.3万元，动态投资回收期为11.98年；该系统利用清洁的地温能，每年可节约117.7 t标准煤，减排CO2 195.5 t。上海中心大厦裙楼、上海世博轴和上海富士康大厦等国内重大工程均采用了地下结构内埋管热交换系统。4）某过江隧道在地下连续墙内设置埋管换热管路，来提取地源的地热能，实现隧道附近建筑的供热、制冷。隧道连续墙最大埋深60 m，连续墙每段长度为5 m；60 m深度位置土壤层温度为16.5~17.5 ℃；采用单U型盘管，De32PE塑料管，埋深按平均55 m计算，盘管间距2.5 m。地下连续墙内埋管直接绑扎在地下连续墙的主筋上，与地下连续墙一起形成换热构件，省去了钻孔费用，且具有传热效果好、稳定性和耐久性好、不占用额外的地下空间等优点。隧道江北段管理养护中心用房面积约为4 409.65 ㎡，利用连续墙埋管及热泵机组进行供暖与制冷，参数如下：1）制热量265 kW；2）制冷量485 kW；3）单U型盘管，De32PE塑料管；4）需要埋管的连续墙长度共120 m；5）总投资约120万元（含埋管换热器、热泵机组、水泵及管道等费用）；6）节约电能约23.5万 kW·h/年（按年运行时间5 000 h）。隧道江南段参数如下：1）单U型盘管，De32PE塑料管；2）可埋管的连续墙长度共1 300 m；3）埋管总散热量2 800 kW；4）总投资约850万元（含埋管换热器、热泵机组、水泵及管道等费用）；5）节约电能约235.2万kW·h/年（按年运行时间5 000 h）。5）科罗拉多安装地源热泵系统后，每个家庭可降低电力峰值需求、节约能源和减少CO2排放10%~30%。
6）上海世博轴采用6 000根能量桩，是目前世界上单体能量桩用量最大的工程。

未来发展情况目前

地源热泵正进一步与太阳能结合。通过太阳能的辅助供热，可实现系统向地下排热与取热的平衡，从而使得地下温度场保持稳定，既可以克服单独使用地源热泵时，土壤温度场不断降低（或升高）后不能有效恢复的局限性，又可以克服单独使用太阳能空调系统时，太阳辐射受天候因素制约的局限性。

浅中层地热能(温泉)
河北省地热能资源总量位居全国第二位，2015年地热资源开采量突破1.1亿m³，地热供暖面积达到6 300万㎡。其中，雄县位于河北省保定地区，是国内首个通过地热供暖实现“无烟城”的县城，拥有享誉全国的“雄县模式”。雄县地热资源分布面积广，出水量大，水温高，现如今地热集中供暖面积已占城区集中供暖面积的85%，覆盖县城80%以上的居民小区，每年可减少CO2排放量12万t。在收费方面，雄县居民地下水取暖费用为16元/㎡，相较之前燃煤取暖25 元/㎡的费用更为便宜。从投入与产出方面分析，地热取暖前期投入较大，后期的年收益率稳定。因此，应推广和提升“雄县模式”，在集中成片供暖的基础上，在新兴城镇中打造以地热为主的“绿色热网”，解决北方中、小新兴城市和农村冬季供暖的问题，减少燃煤燃烧对空气造成的污染。

深层地热能(干热岩)
我国干热岩资源居世界前列，陆域干热岩资源量为856万亿t标准煤，其中青海共和盆地3 705 m深钻获得236 ℃的高温干热岩体。我国已成功在陕西省内进行了干热岩用于供热的商业应用——长安信息大厦2013年共计3.8万㎡应用干热岩供热，效果良好。按照2%的可开采资源量计算，我国可开采干热岩量相当于17万亿t标准煤，为2016年全国能源消耗量（43.6亿t）的近4 000倍。至“十三五”末，地热能年利用量相当于替代化石能源7 000万t标准煤，减排CO2 1.7万亿t。国际上有美国、澳大利亚、日本、德国、法国等进行了干热岩发电试验研究项目。美国Los Alamos实验室在卡尔德拉的芬登山上建成了一个10 MW的HDR（深层干热岩）发电站，该电站主要由2个深度为3 000多m的钻孔及其连通孔组成，冷水由一个钻孔灌入，另一个孔产生200 ℃蒸汽，进入汽轮机发电。我国也已开始干热岩发电的相关研究。

节水 
我国水资源比较短缺，地下空间可以用来解决水资源问题。

雨水
1）世博轴自来水日用量约为2 000 m³/d，利用雨水时，自来水日用水量降低为1 100~1 200 m³/d，回用雨水用水量约800~900 m³/d。据此，在可利用时段里，自来水替代率约为(800~900)/2 000=40%~45%。经处理雨水主要用途为卫生器具冲洗、绿化浇灌等。世博轴雨水收集处理综合利用技术见图7，处理流程见图8。

2）西沙群岛上修建了可采集雨水达14万t的地下贮水工程。通过技术处理，已达到国家饮用水卫生标准，从而结束了吃水靠大陆船运的历史。3）北京每年6—9月份降水中，可利用的雨水为2.3亿m³，相当于城区全年用水量的1/5多。为积蓄雨水，北京筹划开工修建70个地下小水库，新建公园将首先考虑建设雨水收集利用设施，工程可拦蓄洪水3 559万m³。
4）名古屋、大阪、福冈等地的大型建筑物下都设置了雨水利用装置，名古屋体育馆每年利用雨水3.6万m³。

再生水(中水)
再生水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水，也称中水。

1）北京2010年再生水利用量达6.8亿m³，占总用水量的19%，但利用率仅为60%，“十三五”期间计划将全市再生水用量提升到每年12亿m³。
2）天津自2002年正式启动再生水管网建设以来，已铺设了400多km的再生水管道。目前天津已建成再生水厂8座，全年再生水回用约2 500万t，大部分用在大型工业项目中，还有河西梅江居住区和南开水上公园周边一些小区也用上了再生水。
3）日本再生水利用量达1.3亿m³。