探討高層建筑地熱式供熱與通風的相關問題

趙劍

呂梁市供熱集團有限責任公司 山西 呂梁 033000

高層建筑作為現代城市的標志性建筑，其供熱與通風問題日益受到工程師和建筑師的關注。傳統的供熱方式往往難以滿足高層建筑的特殊需求，同時也存在能效低、環境污染和運行成本高等問題。地熱供熱，作為一種清潔、可再生的供熱方式，為高層建筑提供了一種新的解決方案。

1 地熱供熱系統技術原理

地熱供熱系統技術利用地下的熱能為建筑提供所需的熱量，逐漸成為現代城市供熱的主流選擇。相比傳統的供熱方式，它具有更高的能效、更低的運行成本以及更加環保的特點。

1.1 地熱能資源的形成與分布

地球內部蘊藏著豐富的熱能，這種熱能主要來源于地球的放射性元素衰減所產生的熱量以及地球初形成時的殘存熱量。這些熱量通過地殼不斷地向地表傳遞，形成了所稱之為的地熱資源。地熱資源的分布并不均勻，它受到許多地質、氣候和水文因素的影響。在板塊構造活躍、火山活動頻繁的地區，地熱資源特別豐富。此外，某些地下水富集區和斷裂帶也可能擁有較為豐富的地熱資源。了解地熱資源的分布對于合理、有效地利用地熱供熱系統至關重要[1]。

1.2 地熱熱泵的工作原理與分類

地熱熱泵是地熱供熱系統中的核心設備，它的主要功能是從地下提取熱能并提升其溫度以滿足供熱的需求。其工作原理基于熱力學的第二定律，通過制冷劑在蒸發和冷凝過程中吸收和釋放熱量，從而達到提升熱能溫度的目的。根據地熱熱泵的工作模式和熱源類型，可以將其分類為水源地熱熱泵、空氣源地熱熱泵以及地面源地熱熱泵等。不同類型的地熱熱泵在安裝、操作和維護上都有其特點和優劣，選擇合適的類型對于確保系統的高效運行和長壽命至關重要。

2 地熱能的提取與利用中存在的問題

2.1 地下水資源的影響

地熱開發對地下水資源產生的影響是多方面的。一方面，大量抽取地下熱水可能導致地下水位顯著下降，從而影響到其他的用水需求，如農業灌溉、居民供水等。另一方面，隨著水位的降低，有可能導致地表沉降，對建筑物和基礎設施產生潛在威脅。更為嚴重的是，隨著地熱液的開采，可能引起溫度和化學成分的變化，進而改變原有的地下水流動路徑，增加地下水被污染物污染的風險。

2.2 地熱液中的化學物質問題

地熱液體是一種復雜的混合液體，其中含有各種礦物質、鹽分和氣體。尤其是在高溫和高壓的條件下，這些化學物質可能導致腐蝕問題，對地熱開采設備和管道產生損傷[2]。如氫硫化氫是一種常見的有害氣體，它不僅會對金屬產生腐蝕，而且其刺激性的氣味對人體健康也有潛在威脅。此外，地熱液中的鹽分和礦物質沉積可能導致管道堵塞，影響系統的正常運行。

2.3 地熱能提取引發的地震風險

地熱開發中的某些操作，尤其是增強地熱系統（EGS）的應用，涉及高壓液體對巖石進行壓裂以增強其滲透性。這種壓裂過程可能引發地震活動。盡管這些地震通常是小規模的，但在密集居住或重要基礎設施附近，即使是小規模地震也可能帶來不可忽視的風險。此外，持續的地熱開采可能改變地下應力分布，影響地震活動。

2.4 地熱能的經濟性問題

地熱能作為一種可再生能源，其運行成本相對較低，對環境的影響也小。然而，其開發初期需要大量的投資，涉及地熱資源的勘查、鉆探和設備的安裝。這些前期高額投資使得許多潛在的開發者望而卻步。此外，地熱能的經濟效益受到能源市場價格的影響，當其他能源價格下降時，地熱能的競爭力可能會受到挑戰。

3 高層建筑地熱供熱系統設計

3.1 供熱需求量的估算方法

3.1.1 單位面積供熱量法

該方法是基于建筑的總使用面積與每平方米的預估供熱需求來進行的計算。

Q=A×q其中：

Q：總供熱需求量，單位為W

A：建筑的總面積，單位為m2

q：單位面積的供熱需求量，通常是基于當地的氣候條件、建筑的保溫性能以及建筑的用途來決定的。單位為W/m2。

例如，如果一個高層建筑的總面積是10,000m2，并且該地區的單位面積供熱需求量為100W/m2，則總供熱需求量為：

3.1.2 空間供熱負荷法

考慮到高層建筑內部的不同空間會有不同的供熱需求（例如，走廊和辦公室），此方法將根據各個空間的特性進行估算。根據建筑的功能劃分空間類別，并為每一類空間設定一個單位面積的供熱需求量qi。

其中

Qi：該類空間的供熱需求量，單位為W

Ai：該類空間的面積，單位為m2

qi：該類空間的單位面積供熱需求量，單位為W/m2

對于整個建筑，總供熱需求量為：

其中，n代表空間類別的數量。

例如，考慮一個建筑有辦公室（5000 m2，需求量為120 W/m2）和走廊（2000 m2，需求量為80 W/m2）。

Qoffice=5000×120=600,000W

Qcorridor=2000×80=160,000W

所以，總供熱需求量為：

Qtotal=600,000+160,000=760,000W 或 760 kW

通過上述方法，可以為高層建筑的地熱供熱系統設計提供準確的供熱需求數據。

3.2 地熱源選擇與配置

在高層建筑的地熱供熱系統設計中，選擇合適的地熱源至關重要，它是確保系統穩定運行和高效性的基石。地熱資源的深度和溫度是決定性因素，因為不同的深度和溫度區間通常需要不同的熱泵技術和設備。例如，淺層地熱資源（通常在200m以下）可能適用于較低溫度的熱泵，而深層地熱資源則可能需要能夠處理更高溫度的熱泵。地下水流動性也是一個重要的考慮因素。在地下水流動性較高的地區，可能需要特別設計的井口結構以減少熱量損失，并確保有效的熱交換。此外，流動性高的地下水可以提供更好的熱交換效率，但同時也可能導致地熱井的壽命降低。然后，土壤和巖石類型也對地熱源的選擇和配置產生影響。例如，某些土壤和巖石，如砂巖和石灰巖，具有良好的導熱性能，這使得熱交換更為高效。而粘土或含有大量有機物的土壤可能導熱性較差，從而影響整體的熱交換效率。

3.3 供熱系統的布局與設計要點

供熱系統的布局和設計對于高層建筑的供熱效率和舒適度至關重要。

3.3.1 供熱管道的設計

供熱管道是地熱供熱系統中的關鍵組件之一。正確的管道設計不僅可以確保系統的熱力學平衡，還可以顯著降低能量損失，從而提高系統的整體效率。

為了確保供熱管道的熱力學平衡，需要確保熱流體的流速、壓力和溫度都在設計范圍內。流速太快可能導致泵的過度磨損，而流速太慢可能不足以提供足夠的熱量。公式表示為：

其中:

Q是熱功率 (W)

m是流體的質量流量 (kg/s)

c是流體的比熱容 (J/kg·K)

ΔT是流體的溫度變化 (K)

同時，管道直徑的選擇是確保足夠的流量和最小的摩擦損失的關鍵。對于確定的流量，管道的直徑可以使用Darcy-Weisbach方程來估算：

其中:

ΔP 是壓力損失 (Pa)

f 是摩擦因子

L 是管道長度 (m)

D 是管道直徑 (m)

ρ 是流體的密度 (kg/m3)

v 是流體的平均流速 (m/s)

然后，供熱管道的材料選擇也非常關鍵。不同的材料具有不同的導熱系數 (k)，并且會影響熱損失。公式表示為：

其中:

q 是單位面積的熱流 (W/m2)

k 是材料的導熱系數 (W/m·K)

d 是管道壁的厚度 (m)

總之，供熱管道設計的核心在于如何實現熱力學平衡、優化流動性能并考慮材料的導熱性，以實現高效和經濟的供熱。首先，熱力學平衡確保了流體在管道中的溫度、壓力和流速達到恰當的匹配，從而避免了能量的過度損失或不穩定的流動[3]。其次，流動性能，特別是流速和管道直徑的選擇，影響摩擦損失和泵的效率。選擇適當的流速不僅可以減少能量損失，還可以防止沉積物在管道中積累。最后，材料的導熱性是關鍵。選擇具有低熱傳導性能的管道材料可以減少供熱系統的熱損失，而管道壁的適當厚度則可以進一步提高熱絕緣性。綜上所述，細致的管道設計是實現經濟、高效供熱的關鍵。

3.3.2 熱交換器的選擇和配置

熱交換器是地熱供熱系統中的核心設備，其作用是從地熱能源中提取熱量并傳遞給建筑供熱系統。為確保其與地熱熱泵的完美匹配并獲得最佳的熱交換效率，選擇適當的熱交換器至關重要。熱交換器的設計需要綜合考慮多個關鍵參數。熱交換器的設計容量是基于系統的最大熱負荷 和最小熱負荷 。

其中，α是一個考慮系數，通常在0.6到0.9之間，取決于系統的特定需求和設計冗余度。為了最大化熱交換效率，流體在熱交換器中的流速 V和進出熱交換器的溫度差ΔT 需要優化。

其中，η是熱交換效率，m是流體的質量流量，Cp是流體的比熱容。

確保適當的流量和溫差不僅有助于提高熱交換效率，還可以延長熱交換器的使用壽命，因為避免了過高的溫度和壓力導致的設備疲勞。

3.3.3 熱控策略

隨著樓宇自動化技術的迅速發展，現代供熱系統已經不再僅僅是傳統的熱供應方式，而是變得越來越依賴于先進的熱控策略，以確保室內溫度的舒適性并最大化整體能效。這些系統利用先進的傳感器技術進行實時的溫度監測和反饋，確保各個區域能夠獲得精確的供熱量。同時，通過利用現代數據分析和預測技術，樓宇自動化系統可以根據歷史數據、天氣預報和建筑的使用模式預測未來的供熱需求，從而提前進行供熱參數的調整[4]。

4 地熱供熱與高層建筑通風系統的集成

地熱供熱與高層建筑通風系統的集成為建筑提供了一個更為高效、節能的環境控制解決方案。這種集成不僅可以實現室內溫度的優化調控，還能夠確保室內空氣質量和舒適度。隨著現代建筑對于能源效率和室內舒適度的不斷追求，地熱供熱系統與建筑通風系統的集成已經成為一種趨勢。這種集成首先考慮的是如何將地熱能源有效地轉化為建筑內部的熱量，并且在確保溫度均勻分布的同時，維持良好的室內空氣質量。

4.1 系統的互補性

地熱供熱與通風系統的結合是兩大系統互補性的完美體現。首先，地熱供熱系統從地下穩定的溫度中獲取熱能，為建筑提供持續、穩定的供熱，減少對外部氣候條件的依賴。這種穩定性意味著建筑的供熱不會因為外部溫度的變化而受到太大的影響。與此同時，通風系統則負責引入新鮮空氣，排放污染空氣，確保室內空氣質量達標。

4.2 智能控制的重要性

隨著科技的發展，樓宇自動化和智能控制系統已經成為現代建筑的標配。這些系統可以實時地監測室內的各種參數，如溫度、濕度、CO2濃度等，并根據預設的標準進行自動調整。具體到地熱供熱與通風系統的結合，智能控制起到了至關重要的作用。例如，當監測到室內CO2濃度超標時，通風系統會自動增加新風量，確保室內空氣質量；同時，地熱供熱系統會檢測到通風帶來的溫度變化，自動增加或減少供熱量以維持室內溫度的穩定。此外，智能控制系統還可以根據建筑的實際使用情況，如人流量、活動強度等，進行動態調整，進一步提高系統的效率和節能效果。

5 結語

地熱供熱與高層建筑通風系統的集成是現代建筑設計的一個明智選擇，它體現了科技與自然、創新與可持續性的完美結合。隨著全球對可再生能源和綠色建筑的日益重視，這種集成方式為提供了一種有效、經濟、環保的解決方案。它不僅帶來了長期的經濟效益，更為創造了一個舒適、健康、環境友好的生活空間。在不遠的將來，隨著技術的進步和普及，地熱供熱與高層建筑通風系統的集成將在全球范圍內得到更廣泛的應用，為城市和家園帶來更多的綠色、溫暖和希望。