建筑節能之地熱應用

李向勇

能源短缺已不容忽視,節約能源已受到世界性的普遍關注。目前,全世界有近30%的能源消耗在建筑物上,長此以往,將嚴重影響世界經濟的可持續發展。而我國的建筑能耗量約占全國總用能量的1/4,居耗能首位。因此,建筑節能必然成為人類,特別是我國節約能源的一個重要環節。

1 節約現有能源與開發新能源

節能應該包含兩層含義：節約使用現有常用的能源和開發并利用新的能源。建筑節能同樣要從這兩個方面著手。

建筑上節約使用現有常用能源的最關鍵因素是從建筑物的造型及圍護結構形式著手。直接的影響包括建筑物與外環境的換熱量、自然通風狀況和自然采光水平等。而這三方面涉及的內容將構成70%以上的建筑采暖通風空調能耗。

建筑上開發并利用新的能源,這些能源包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等多種形式。同現有常用的能源相比,這些能源還有另外一個特點就是可再生,稱為可再生能源。地熱能就是可再生能源,應提倡在建筑中廣泛應用。而且與太陽能、風能不同,地熱能源的來源相對要穩定得多。

2 各國地熱開發與研究

地熱能源的利用,在世界上已經開發了很多年,并且有的國家在這一領域取得巨大的經濟回報。冰島人口不到30萬,面積為10.3萬km2,是世界上地殼運動最活躍的地區之一。全島有火山200多處,其中活火山30余座,平均每5年就有一次火山噴發。水溫高于200℃的高溫地熱區26個,天然溫泉800余處。冰島因此成為世界上地熱資源最豐富的國家之一。熱能儲量巨大,如全部加以利用,每年可發電800多億度。由于地熱資源的廉價、清潔,自1975年冰島大規模使用地熱資源后,石油等能源進口大大減少,二氧化碳等溫室氣體排放量提前幾十年就已達到了國際標準。

丹麥首都哥本哈根目前已經能利用地熱資源為其百分之一的家庭,5 000家住戶供暖。早在2005年,馬格利特地熱廠就開始運作。他們把地下2 600 m深處的地熱水用泵抽上來,通過熱能交換機轉換成熱量供給居民供暖。

在地熱研究方面,美國于1974年在芬頓山建立干熱巖試驗站,鉆井至2 000 m處約200℃的花崗巖,然后往井中注入20℃的常溫水,在高壓下花崗巖產生裂縫,形成千熱巖熱儲。日本新能源與工業技術發展組織于1985年在火山口處的皺折建立了干熱抽試驗站,1991年,從1 800 m的地下裂隙系統成功抽出了熱能,1992年,又建立了2 200 m的熱儲層,溫度達270℃。德國和法國于1986年聯合在蘇爾士開展巖體熱能利用項目。

3 我國地熱資源

中國地熱開發利用,隨著社會經濟和生態環境建設的需求,十年來,每年以12%的速度增長,到1998年年底,地熱采暖面積已近800萬m2;地熱溫室面積70萬m2;地熱養殖面積300萬 m2;洗浴和溫泉療養1 600多處,地熱直接利用規模已逾500萬t/年標準煤當量。最近兩年,在中國的東北高緯度寒冷的大慶地區和西北干旱的寧夏銀川地區開展了地熱勘探和開發利用工作,巨大的盆地型地熱資源已被證實。通過地質調查,全國已發現地熱異常3 200多處,其中進行地熱勘查的并已對地熱資源進行評價的地熱田有50多處,全國已打成地熱井2 000多眼。發現高溫地熱系統255處,主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。發現中低溫地熱系統2 900多處,總計天然放熱量約相當于每年360萬t標準煤當量。

4 地源熱泵的設計

地源熱泵系統包括3種不同的系統：1)土壤源熱泵;2)地下水熱泵系統;3)地表水熱泵系統。

以上3種系統,實際上是指通過將傳統的空調器的冷凝器或蒸發器延伸至地下,使其與淺層巖土或地下水進行熱交換,或是通過中間介質作為熱載體,并使中間介質在封閉環路中通過在淺層巖土中循環流動,從而實現對建筑物內供暖或制冷的一種節能、環保型的新能源利用技術。

雖然在這3種系統中,采用地下水、地表水的熱泵系統的換熱性能好,能耗低,性能系數高于土壤源熱泵。然而,由于前兩種系統受到地下水或地表水資源的環境限制,并非處處存在,因此土壤源熱泵系統應用更加廣泛。該系統的設計主要包括以下三方面內容：

1)地下熱交換器設計。首先,要根據現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用,確定熱交換器是采用垂直豎井布置,還是水平布置方式。

地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種。串聯系統管徑較大,管道費用較高,并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小,管道費用較低,且常常布置成同程式,當每個并聯環路之間流量平衡時,其換熱量相同,壓降特性有利于提高系統能力。

管徑必須滿足兩個要求：管道要大到足夠保持最小輸送功率;管道要小到足以保證流體與管道內壁之間的傳熱。

地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統布置和管材外,還需要有當地的土壤技術資料,如地下溫度、傳熱系數等。在實際工程中,可以利用管材“換熱能力”來計算管長,換熱能力即單位管長的換熱量。

確定管道間距和長度,對于垂直豎井就是要選擇豎井深度和豎井間距,而水平布置就是水平管道長度和垂直方向管道層之間的間距。

在同程系統中,選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環路作為最不利環路進行阻力計算。計算最不利環路所得的管道壓力損失,再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失,確定水泵的揚程。根據系統總流量和水泵揚程,選擇滿足要求的水泵型號及臺數。管路最大壓力應小于管材的承壓能力,管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚程一半的總和。

2)建筑物冷熱負荷計算。建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同,可參考有關空調系統設計手冊。

3)冬夏季地下換熱量計算。冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數,計算時應從樣本中選用符合設計工況下的地源熱泵機組。地源熱泵系統在我國長江流域及其周圍地區具有廣闊的應用前景,但有關影響土壤源熱泵系統廣泛應用的主要因素的研究還很有限,設計時大致可以遵循以下原則：a.若建筑物周圍可利用地表面積充足,應首先考慮采用比較經濟的水平埋管方式;相反,若建筑物周圍可利用地表面積有限,應采用豎直埋管方式。b.盡管可以采用串聯、并聯方式連接埋管,但并聯方式采用小管徑,初投資及運行費用均較低,在實際工程中常用,且為了保持各并聯環路之間阻力平衡,最好設計成同程式。c.選擇管徑時,除考慮安裝成本外,一般把各管段壓力損失控制在當量長度為4以下,同時應使管內流動處于紊流過渡區。

5 結語

地熱資源是可以再生的綠色能源,而地源熱泵技術對地熱資源的要求不高,可以在各個區域廣泛應用,是建筑設計中使建筑物達到“節能、環保”的有效手段之一,廣大建筑設計師應積極掌握并將其應用到設計中。

[1]GB 50366-2005,地源熱泵系統工程技術規范[S].

[2]韓慧民.土壤源熱泵在中央空調系統中的應用[J].制冷空調與電力機械,2005,29(2)：171-173.

[3]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統設計與應用[M].北京：機械工業出版社,2007.

[4]徐 偉.地源熱泵工程技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社,2001.