地熱能在建筑環境的應用

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摘要：地熱能作為一種綠色清潔能源，在建筑建設中將發揮重要作用。研究介紹不同種類的地熱能在建筑環境、建筑節能中的應用形式，探究淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖型地熱能等多種形式地熱能的優勢與潛力，討論建筑環境中地熱能的理論與實際應用。

關鍵詞：地熱能；淺層地熱能；水熱型地熱能；干熱巖型地熱能；建筑環境

隨著城市化建設的不斷發展，供熱供暖、生活熱水等能源消耗占整個建筑能耗的50%左右[1]。地熱能作為一種綠色環保、可再生的能源，在建筑節能方面具有應用潛力。隨著技術的不斷發展更新，在一些環境友好城市已經實現對淺層地熱能的開發與利用，達到保護環境、提高人們生活水平的效果。對地熱資源的合理開發利用已受到各界的重視，對地熱能的開采研究已成為當下的研究熱點。地熱能的能量來自地球內部的熔巖，并以熱力形式存在，并且地熱能的儲量也非?？捎^。地層深處的地熱能經由高溫熔漿、地下水傳遞到地表附近，然后利用一系列設施設備對被地下水傳遞到地表的熱力進行捕獲利用。綜合考慮熱流體傳輸方式、溫度范圍以及開發利用方式等因素，地熱資源可分為淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖型地熱能。

1不同地熱能在建筑環境中的概述

1.1淺層地熱能的優勢與應用

淺層地熱能資源指蘊藏在淺層巖土體、地下水或地表水中可利用的熱能資源。淺層地熱能的能量一般儲存在距離地表200m深的巖土體、地下水中；有的直接存儲在地表水中。淺層地熱能溫度一般低于25℃，且較為恒定，可用于供暖、供水。由于淺層地熱能不產生任何其他污染物，因此是一種清潔環保、安全性高、不易受氣溫影響、來源穩定可靠的可再生能源。目前對淺層地熱能的開發利用方式主要以熱泵技術為主，采用地源熱泵技術開發淺層地熱能。熱泵技術進而發展出4個分支技術包括：地下水源地源熱泵技術、土壤源地源熱泵技術、地表水水源熱泵技術和污水水源熱泵技術[2]。通過鋪設在地下的管道網絡以及地表對應設備，可以在冬季寒冷時節為建筑捕獲熱量，夏季炎熱時節為建筑釋放熱量，從而使建筑物減少對其他能源的依賴，達到提高建筑周遭環境的潔凈程度。已有淺層地熱能技術被用于現代化建筑中，如淺層地熱能與地下結構的協同利用技術，主要應用在樁埋換熱器中，此項技術在日本札幌城市大學建筑、南京朗詩國際街區等建筑中都有應用[3]。合肥市綠色節能建筑示范項目中，科學園小區內有720個深入地下的雙“U”型地熱管，通過管網水循環將恒溫地熱能輸送至各住戶內，讓室內達到冬暖夏涼的效果。淺層地熱能技術的應用為建筑物供給相當一部分的清潔能源，根據中國地質調查局的研究資料顯示，我國每年可以開采利用的淺層地熱能資源，折合約為7億噸標準煤[4]。淺層地熱能作為一種分布廣泛、優勢明顯的可再生能源，通過熱泵技術主要應用于調節室內居住環境，創造舒適的室內溫度環境。隨著淺層地熱能技術的發展，使室內環境達到一種全面舒適的最終效果[5]。

1.2水熱型地熱能的優勢與應用

水熱型地熱能以蒸汽和液態水為主要載體的地熱能源，具有綠色環保、清潔穩定、分布廣泛的優勢。水熱型地熱能是對地下深層蒸汽與液態水熱能的直接利用，采用的技術也相對簡單、經濟，提高了水熱型地熱能開發利用的普遍性。水熱型地熱能資源的開發利用方式分為兩種，一種是通過設備直接抽取位于地下的熱水，即“取水”；另一種利用深井換熱技術，又可以細分為同軸管換熱、深井熱交換器換熱和對接井換熱等技術，即“不取水只取熱”[6]。兩種技術的應用可在相對較低的成本消耗下，為建筑直接提供生活供水或供暖供冷，例如在天津某小區內的兩口地熱深井，地熱井平均深度約為2800m，每個地熱井在一個采暖季的平均換熱功率高達725kW，為該小區的建筑供暖提供一定的能源支持。為了保護地下水資源，近年來出臺了一系列針對地下水資源地保護政策，強調“既要抽取也要回灌”的地下水資源利用方針，但回灌也不是100%的，鑒于不同的熱儲形式，回灌效率不同[7]。對于水熱型地熱能資源開采利用“不取水只取熱”的方式，換熱效率低于“取水”的方式，發展同軸管換熱、深井熱交換器換熱等能夠提高換熱效率技術具有重要意義。劉碩[8]等對太原市城區水熱型地熱能的資源承載力進行研究，科學地評估當地地熱能可利用以及開發潛力，為當地建筑環境工程帶來收益。

1.3干熱巖型地熱能的優勢與應用

干熱巖型地熱能是一種新型地熱能資源，特指埋深千米、溫度較高、有相當規模的開發經濟價值熱巖體。干熱巖型地熱能是一種清潔、高效、綠色環保的可再生地熱能資源，具有極大的發電與供暖潛力。據有關資料統計，我國陸地3~10km地層深度的干熱巖型地熱能資源總量，相當于2010年我國能源總消耗量的4400倍。

2建筑環境中地熱能的相關應用研究

楊茜[9]等將地熱能資源在建筑環境中的開發利用模塊化，并在每個模塊中細化，涵蓋地熱能建筑利用的適用范圍、設計要點等，給出各個模塊的區分界限方便設計。地熱能直接利用模塊適用于地熱水品質較高的場合，而地熱能間接利用模塊則適用于具有腐蝕性、容易生成礦物質結垢的地熱水。由于地熱能在建筑環境設計中存在特有的復雜性，光靠簡單的混合分析不完全可靠，但將其整理為各個模塊，再結合所處地域的自然條件、資源，就可以做到自上而下、逐步求精的效果，極大地提高建筑設計中關于節能減排方面的設計難度。姚燕楓[10]通過對位于天津市濱海新區的供暖熱源案例進行分析，為“地熱井+水源熱泵”供熱系統方案提供可行性證明。該供熱系統通過地熱井以及水源熱泵技術，實現對地熱能的二次利用，從而提高深層地熱能的利用效率。經過計算，“地熱井+水源熱泵”供熱系統提供的熱量占所有設備總熱負荷的78%，即該供暖系統可以在一個供暖季提供大部分熱能，同時整個熱源系統在整個試驗期運行良好，為建筑提供穩定舒適的供暖溫度，并且經過經濟性分析，該系統為建筑供暖方面，每年節約800t標準煤，該系統具有向外推廣的積極意義。房賢印[11]在建筑節能的理論探討中開展關于地熱供暖設計控制策略的研究。通過對自控策略的運用，加上對地熱、水熱物性參數的分析，進行節能技術升級改造，例如加入自控閥門等，有效提升地熱能的利用效率，也使系統的運行費用下降。地熱能在建筑節能中的設計應按照地熱供暖系統的獨特性能，合理調配相應的控制策略。

3地熱能在建筑節能中的創新性研究

Lyu[12]等研究認為，淺層地熱能的溫度非常適合建筑物外殼與建筑物內部空氣的加熱與冷卻。由此設計一種綜合集成系統，通過TRNSYS在北京某辦公樓對該集成系統進行模擬仿真，并對集成系統的運行溫度及能耗進行分析，最后得出集成系統相較于傳統地源熱泵，全年運行溫度不超過28℃，節能效率提高29%，建筑年累計負荷與二氧化碳排放量更低、熱泵容量更小。該綜合集成系統提高了漸層地熱能的能量利用率，也同時印證該系統具有更大的節能價值與潛在的經濟效益。Seyam[13]等在一棟3層住宅建筑設計一套地熱能與太陽能的混合能源系統，利用EES軟件對系統及建筑進行熱力學、電氣分析。結果得出在使用該混合能源系統時，可以減少太陽能電池板的使用面積，同時也能達到一定的能量收集率?；旌舷到y與僅使用地源熱泵的加熱技術的建筑物相比，不論在加熱季節還是冷卻季節，混合系統的熱泵COP均增加近1倍。該混合系統的使用使得化石燃料-丙烷的使用量減少93%左右，極大地提高建筑室內的安全性，增強建筑對生態環境的友好程度。

4結語

隨著地熱能資源運用廣泛，將為建筑行業帶來積極的推動作用。地熱能使建筑環境質量整體提高的同時，也將帶來巨大的經濟和生態利益。

作者：陳召俊 單位：武漢理工大學土木工程與建筑學院