淺層地熱交換系統在近零能耗建筑中的應用與研究

馮彥勝 甘肅第三建設集團有限公司工程師

韋春瑞 甘肅第三建設集團有限公司高級工程師

張新德 甘肅第三建設集團有限公司高級工程師

張 偉 甘肅第三建設集團有限公司工程師

淺層地熱交換系統埋在淺層地下，通過水或空氣與周圍土壤進行熱量交換。由于其具有長期耐用性、高效率以及環境友好等優點，在近零能耗建筑采暖和制冷系統中越來越受歡迎。該系統制熱和制冷效果良好，是由于地下一定深度以下的土壤溫度穩定，與室外空氣相比，夏季較低，冬季較高。再加上土壤的熱慣性大，溫度變化延遲較大，幾乎可以忽略太陽輻射增強和氣溫波動的影響。

1 淺層地熱交換系統的傳熱介質

1.1 基于水傳熱介質的淺層地熱交換系統

基于水傳熱介質的淺層地熱交換系統是指埋在地下的高密度塑料管，水、防凍液或它們的混合物通過高密度塑料管與土壤交換熱量。這一類地熱交換系統可以水平，也可以垂直安裝。垂直式地熱交換系統又稱井眼熱交換系統，相比水平式地熱交換系統更加節能，而且占地面積更小。但由于鉆孔費用的增加，投資成本要更高一些。

1.2 氣傳熱介質的淺層地熱交換系統

基于空氣傳熱介質的淺層地熱交換系統廣泛應用于需要制冷和加熱的節能建筑，其基本原理如圖1 所示。這一類基于空氣傳熱介質的地熱交換系統也稱為土壤—空氣熱交換系統或地下空氣隧道系統。在以空氣為傳熱介質的淺層地熱交換系統中，空氣通過地下埋管循環進行加熱或制冷，然后送至建筑物進行取暖或制冷，氣流可以采用自然風或者靠風扇驅動[1]。空氣傳熱介質的淺層地熱交換系統雖然傳熱效率低于水傳熱介質的淺層地熱交換系統，但具有較高的經濟效益。

圖1 基于空氣傳熱介質的淺層地熱交換系統工作原理

2 淺層地熱交換系統在近零能耗建筑中的被動應用與研究

淺層地熱交換系統主要包括被動應用和主動應用兩種應用方式，被動應用是指通過淺層地熱交換系統直接將儲存在土壤中的能量來給近零能耗建筑進行加熱和冷卻，不需要任何熱泵或者冷卻器，而主動應用則需要使用熱泵和冷卻器。地表6 m以下的土壤溫度基本全年保持不變，所以儲存在地下的冷能或熱能可以直接用于制冷和制熱，也就是人們常說的被動應用。淺層地熱交換系統也可以與機械加熱和冷卻系統結合使用，稱為主動應用[2]。

2.1 通風系統中的地熱交換系統

通風系統和水傳熱介質結合使用，通過水—空氣熱交換系統來對室外的空氣進行加熱或制冷。本文以甘肅省蘭州新區中建大廈1 號辦公樓為例，通風系統的實測性能系數（Coefficient Of Performance，COP）在夏季可達21，冬季可達13.8。基于空氣傳熱介質的地熱交換系統可以直接用于制冷或加熱空氣，而不需要中間熱交換器系統，這是因為低于某一深度(即地下6 m)的土壤溫度是穩定的，通常在夏季比室外空氣溫度低，在冬季比室外空氣溫度高。因此，室外空氣可以在夏天被冷卻，在冬天被加熱，然后輸送到近零能耗建筑物，從而實現建筑物內的加熱或制冷功能。一般情況下，冷卻或加熱的空氣可以滿足部分或全部冷卻與加熱需求。

2.2 與建筑圍護結構相結合的淺層地熱交換系統

淺層地熱交換系統還可以與建筑圍護結構(地板、天花板和墻壁)相結合，從而減少建筑圍護結構的熱增益或熱損失。這些建筑圍護結構被稱為熱激活建筑系統，通常它們的結構要么是在內部埋設管道，要么由空心預制建筑構件構成，如空心混凝土板。這種建筑結構的特點是傳熱面積大，傳熱介質與室內空氣或內墻面溫差小，可以促進冷卻和加熱技術的應用[3]。

本文以蘭州新區中建大廈一近零能耗建筑大樓為例，該大樓的建筑圍護結構中，外墻采用新型建筑保溫材料，屋面、外墻、非采暖房間與采暖房間隔墻以及非采暖房間與采暖房間樓板的熱工參數如表1 所示。該建筑的外窗選用奧潤順達高性能門窗，整窗采用鋁包木130 系列內開內倒窗，配進口五金，玻璃采用金晶原片5low-e+16Ar+5+16Ar+5low-e全鋼化玻璃，low-e膜為2、5面，空氣層16 mm填充氬氣，玻璃間隔條采用超柔性暖邊條，可見光透射比為0.73，太陽能得熱系數為0.49，整窗傳熱系數為K ≤0.8 W/（m2·℃）。130系列外平開鋁木復合被動門的傳熱系數為0.9 W/（m2·℃），氣密性為8 級，水密性為5 級，抗風壓性為9 級，建筑南向設置可調節內遮陽。

表1 圍護結構傳熱系數

淺層地熱交換系統與建筑圍護結構(地板、天花板和墻壁)相結合的一種典型結構為埋管圍護，通過將冷卻或加熱的水從熱交換系統循環到埋管墻，可以很大程度上減少建筑物的冷卻和加熱負荷。冬夏季通過提高或降低內表面的壁溫，提高室內熱舒適性，同時可以大大降低冷卻和加熱系統的能耗。但是不同的季節中，該結構對能耗的降低程度也大大不同，通常溫和地區節能最高可達45%，而在炎熱的夏季和寒冷的冬季地區，節能可達到11%～36%，具體取決于地熱交換系統中熱交換器的數量和功率。

3 淺層地熱交換系統在近零能耗建筑中的主動應用與研究

淺層地熱交換系統在近零能耗建筑主動應用中的一個典型系統為地源熱泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）系統。該系統會在冬天從相對溫暖的地面吸收熱量，并將其釋放到建筑物中進行加熱。在夏天則將與上述過程相反，即從建筑物中吸收熱量并將其釋放到地下。考慮到地下土壤的溫度全年都處在一個穩定的狀態，因此GSHP 系統更適用于既有供暖需求又有制冷需求的低能耗建筑。與傳統的建筑供暖和制冷系統相比，GSHP 系統具有低能耗和高效率等優點。為了更好地提高GSHP系統的性能，下文重點研究和介紹水傳熱介質的GSHP 系統以及以空氣為傳熱介質的空氣源加熱和冷卻系統。

3.1 基于水傳熱介質的GSHP系統

基于水傳熱介質的GSHP 系統在近些年來得到了廣泛應用，不少學者都對其能量性能進行了研究。研究發現，對水傳熱介質GSHP 系統性能影響比較重要的參數有U 形管半徑、鉆孔半徑、熱負荷、水泥漿電導率、進水溫度、U 形管之間的距離以及U 形管熱導率。其中水泥漿電導率可以通過采用熱增強灌漿材料來提高，從而可以在一定程度上提高GSHP 系統的性能[4]。

3.2 基于空氣傳熱介質的空氣源熱泵系統

空氣源熱泵、冷水機組以及空調的性能在很大程度上受室外空氣溫度等環境條件的影響。當天氣極其寒冷或極其炎熱時，這些系統很難獲得較高的效率。通過結合空氣源熱泵以及空調系統，構成基于空氣傳熱介質的熱交換器系統，可以實現較高的效率。通過提高（降低）冬季（夏季）的空氣溫度，可以提高加熱（冷卻）系統的效率。這種系統的安裝成本相比于GSHP系統而言更低，在小型近零能耗建筑中很受歡迎。

為了更好地降低空氣源熱泵所消耗的能量，某近零能耗建筑采用低溫空氣源熱泵的額定制熱量為142 kW，額定制熱功率為39.4 kW，水壓降為40 kPa。考慮熱泵和循環水泵的耗電功率，空氣源熱泵制熱系統COP 為2.15。當供水溫度低于45 ℃時，空氣源熱泵機組啟動，空氣源熱泵供水溫度高于55 ℃時，空氣源熱泵機組關閉。

4 結語

我國建筑行業在不斷進步與發展，節能建筑在人們生活中也越來越重要。本文重點研究和分析近零能耗建筑中的淺層地熱交換系統。首先介紹了兩種淺層地熱交換系統中的傳熱介質，隨后重點介紹淺層地熱交換系統在近零能耗建筑中的被動應用以及主動應用。可以發現，淺層地熱交換系統的被動應用耗能就更小，具有更好的節能效果，但是淺層地熱交換系統的主動應用效率更高，可以更好地實現低能耗建筑中的加熱制冷功能。