建筑節(jié)能之地熱應(yīng)用

李向勇

能源短缺已不容忽視,節(jié)約能源已受到世界性的普遍關(guān)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(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)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(jié)能必然成為人類,特別是我國節(jié)約能源的一個重要環(huán)節(jié)。

1 節(jié)約現(xiàn)有能源與開發(fā)新能源

節(jié)能應(yīng)該包含兩層含義：節(jié)約使用現(xiàn)有常用的能源和開發(fā)并利用新的能源。建筑節(jié)能同樣要從這兩個方面著手。

建筑上節(jié)約使用現(xiàn)有常用能源的最關(guān)鍵因素是從建筑物的造型及圍護結(jié)構(gòu)形式著手。直接的影響包括建筑物與外環(huán)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(nèi)容將構(gòu)成70%以上的建筑采暖通風空調(diào)能耗。

建筑上開發(fā)并利用新的能源,這些能源包括太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等多種形式。同現(xiàn)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(yīng)提倡在建筑中廣泛應(yīng)用。而且與太陽能、風能不同,地熱能源的來源相對要穩(wěn)定得多。

2 各國地熱開發(fā)與研究

地熱能源的利用,在世界上已經(jīng)開發(fā)了很多年,并且有的國家在這一領(lǐng)域取得巨大的經(jīng)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(qū)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(fā)。水溫高于200℃的高溫地熱區(qū)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(fā)電800多億度。由于地熱資源的廉價、清潔,自1975年冰島大規(guī)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(jīng)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(zhuǎn)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(chǎn)生裂縫,形成千熱巖熱儲。日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)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(tǒng)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(lián)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(fā)利用,隨著社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境建設(shè)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(yǎng)殖面積300萬 m2;洗浴和溫泉療養(yǎng)1 600多處,地熱直接利用規(guī)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(qū)和西北干旱的寧夏銀川地區(qū)開展了地熱勘探和開發(fā)利用工作,巨大的盆地型地熱資源已被證實。通過地質(zhì)調(diào)查,全國已發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)高溫地熱系統(tǒng)255處,主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。發(fā)現(xiàn)中低溫地熱系統(tǒng)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(shè)計

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

以上3種系統(tǒng),實際上是指通過將傳統(tǒng)的空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)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(zhì)作為熱載體,并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過在淺層巖土中循環(huán)流動,從而實現(xiàn)對建筑物內(nèi)供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源利用技術(shù)。

雖然在這3種系統(tǒng)中,采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好,能耗低,性能系數(shù)高于土壤源熱泵。然而,由于前兩種系統(tǒng)受到地下水或地表水資源的環(huán)境限制,并非處處存在,因此土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛。該系統(tǒng)的設(shè)計主要包括以下三方面內(nèi)容：

1)地下熱交換器設(shè)計。首先,要根據(jù)現(xiàn)場可用地表面積、當?shù)赝寥李愋鸵约般@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(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費用較高,并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費用較低,且常常布置成同程式,當每個并聯(lián)環(huán)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(tǒng)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(nèi)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(tǒng)布置和管材外,還需要有當?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料,如地下溫度、傳熱系數(shù)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(tǒng)中,選擇壓力損失最大的熱泵機組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進行阻力計算。計算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失,再加上熱泵機組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失,確定水泵的揚程。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚程,選擇滿足要求的水泵型號及臺數(shù)。管路最大壓力應(yīng)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(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷計算方法相同,可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計手冊。

3)冬夏季地下?lián)Q熱量計算。冬夏季地下?lián)Q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(chǎn)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(shù)、供熱系數(shù),計算時應(yīng)從樣本中選用符合設(shè)計工況下的地源熱泵機組。地源熱泵系統(tǒng)在我國長江流域及其周圍地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景,但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素的研究還很有限,設(shè)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(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)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(yīng)采用豎直埋管方式。b.盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管,但并聯(lián)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(lián)環(huán)路之間阻力平衡,最好設(shè)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(yīng)使管內(nèi)流動處于紊流過渡區(qū)。

5 結(jié)語

地熱資源是可以再生的綠色能源,而地源熱泵技術(shù)對地熱資源的要求不高,可以在各個區(qū)域廣泛應(yīng)用,是建筑設(shè)計中使建筑物達到“節(jié)能、環(huán)保”的有效手段之一,廣大建筑設(shè)計師應(yīng)積極掌握并將其應(yīng)用到設(shè)計中。

[1]GB 50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

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

[3]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

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