地热能在建筑环境的应用

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摘要：地热能作为一种绿色清洁能源，在建筑建设中将发挥重要作用。研究介绍不同种类的地热能在建筑环境、建筑节能中的应用形式，探究浅层地热能、水热型地热能、干热岩型地热能等多种形式地热能的优势与潜力，讨论建筑环境中地热能的理论与实际应用。

关键词：地热能；浅层地热能；水热型地热能；干热岩型地热能；建筑环境

随着城市化建设的不断发展，供热供暖、生活热水等能源消耗占整个建筑能耗的50%左右[1]。地热能作为一种绿色环保、可再生的能源，在建筑节能方面具有应用潜力。随着技术的不断发展更新，在一些环境友好城市已经实现对浅层地热能的开发与利用，达到保护环境、提高人们生活水平的效果。对地热资源的合理开发利用已受到各界的重视，对地热能的开采研究已成为当下的研究热点。地热能的能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，并且地热能的储量也非常可观。地层深处的地热能经由高温熔浆、地下水传递到地表附近，然后利用一系列设施设备对被地下水传递到地表的热力进行捕获利用。综合考虑热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素，地热资源可分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能。

1不同地热能在建筑环境中的概述

1.1浅层地热能的优势与应用

浅层地热能资源指蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中可利用的热能资源。浅层地热能的能量一般储存在距离地表200m深的岩土体、地下水中；有的直接存储在地表水中。浅层地热能温度一般低于25℃，且较为恒定，可用于供暖、供水。由于浅层地热能不产生任何其他污染物，因此是一种清洁环保、安全性高、不易受气温影响、来源稳定可靠的可再生能源。目前对浅层地热能的开发利用方式主要以热泵技术为主，采用地源热泵技术开发浅层地热能。热泵技术进而发展出4个分支技术包括：地下水源地源热泵技术、土壤源地源热泵技术、地表水水源热泵技术和污水水源热泵技术[2]。通过铺设在地下的管道网络以及地表对应设备，可以在冬季寒冷时节为建筑捕获热量，夏季炎热时节为建筑释放热量，从而使建筑物减少对其他能源的依赖，达到提高建筑周遭环境的洁净程度。已有浅层地热能技术被用于现代化建筑中，如浅层地热能与地下结构的协同利用技术，主要应用在桩埋换热器中，此项技术在日本札幌城市大学建筑、南京朗诗国际街区等建筑中都有应用[3]。合肥市绿色节能建筑示范项目中，科学园小区内有720个深入地下的双“U”型地热管，通过管网水循环将恒温地热能输送至各住户内，让室内达到冬暖夏凉的效果。浅层地热能技术的应用为建筑物供给相当一部分的清洁能源，根据中国地质调查局的研究资料显示，我国每年可以开采利用的浅层地热能资源，折合约为7亿吨标准煤[4]。浅层地热能作为一种分布广泛、优势明显的可再生能源，通过热泵技术主要应用于调节室内居住环境，创造舒适的室内温度环境。随着浅层地热能技术的发展，使室内环境达到一种全面舒适的最终效果[5]。

1.2水热型地热能的优势与应用

水热型地热能以蒸汽和液态水为主要载体的地热能源，具有绿色环保、清洁稳定、分布广泛的优势。水热型地热能是对地下深层蒸汽与液态水热能的直接利用，采用的技术也相对简单、经济，提高了水热型地热能开发利用的普遍性。水热型地热能资源的开发利用方式分为两种，一种是通过设备直接抽取位于地下的热水，即“取水”；另一种利用深井换热技术，又可以细分为同轴管换热、深井热交换器换热和对接井换热等技术，即“不取水只取热”[6]。两种技术的应用可在相对较低的成本消耗下，为建筑直接提供生活供水或供暖供冷，例如在天津某小区内的两口地热深井，地热井平均深度约为2800m，每个地热井在一个采暖季的平均换热功率高达725kW，为该小区的建筑供暖提供一定的能源支持。为了保护地下水资源，近年来出台了一系列针对地下水资源地保护政策，强调“既要抽取也要回灌”的地下水资源利用方针，但回灌也不是100%的，鉴于不同的热储形式，回灌效率不同[7]。对于水热型地热能资源开采利用“不取水只取热”的方式，换热效率低于“取水”的方式，发展同轴管换热、深井热交换器换热等能够提高换热效率技术具有重要意义。刘硕[8]等对太原市城区水热型地热能的资源承载力进行研究，科学地评估当地地热能可利用以及开发潜力，为当地建筑环境工程带来收益。

1.3干热岩型地热能的优势与应用

干热岩型地热能是一种新型地热能资源，特指埋深千米、温度较高、有相当规模的开发经济价值热岩体。干热岩型地热能是一种清洁、高效、绿色环保的可再生地热能资源，具有极大的发电与供暖潜力。据有关资料统计，我国陆地3~10km地层深度的干热岩型地热能资源总量，相当于2010年我国能源总消耗量的4400倍。

2建筑环境中地热能的相关应用研究

杨茜[9]等将地热能资源在建筑环境中的开发利用模块化，并在每个模块中细化，涵盖地热能建筑利用的适用范围、设计要点等，给出各个模块的区分界限方便设计。地热能直接利用模块适用于地热水品质较高的场合，而地热能间接利用模块则适用于具有腐蚀性、容易生成矿物质结垢的地热水。由于地热能在建筑环境设计中存在特有的复杂性，光靠简单的混合分析不完全可靠，但将其整理为各个模块，再结合所处地域的自然条件、资源，就可以做到自上而下、逐步求精的效果，极大地提高建筑设计中关于节能减排方面的设计难度。姚燕枫[10]通过对位于天津市滨海新区的供暖热源案例进行分析，为“地热井+水源热泵”供热系统方案提供可行性证明。该供热系统通过地热井以及水源热泵技术，实现对地热能的二次利用，从而提高深层地热能的利用效率。经过计算，“地热井+水源热泵”供热系统提供的热量占所有设备总热负荷的78%，即该供暖系统可以在一个供暖季提供大部分热能，同时整个热源系统在整个试验期运行良好，为建筑提供稳定舒适的供暖温度，并且经过经济性分析，该系统为建筑供暖方面，每年节约800t标准煤，该系统具有向外推广的积极意义。房贤印[11]在建筑节能的理论探讨中开展关于地热供暖设计控制策略的研究。通过对自控策略的运用，加上对地热、水热物性参数的分析，进行节能技术升级改造，例如加入自控阀门等，有效提升地热能的利用效率，也使系统的运行费用下降。地热能在建筑节能中的设计应按照地热供暖系统的独特性能，合理调配相应的控制策略。

3地热能在建筑节能中的创新性研究

Lyu[12]等研究认为，浅层地热能的温度非常适合建筑物外壳与建筑物内部空气的加热与冷却。由此设计一种综合集成系统，通过TRNSYS在北京某办公楼对该集成系统进行模拟仿真，并对集成系统的运行温度及能耗进行分析，最后得出集成系统相较于传统地源热泵，全年运行温度不超过28℃，节能效率提高29%，建筑年累计负荷与二氧化碳排放量更低、热泵容量更小。该综合集成系统提高了渐层地热能的能量利用率，也同时印证该系统具有更大的节能价值与潜在的经济效益。Seyam[13]等在一栋3层住宅建筑设计一套地热能与太阳能的混合能源系统，利用EES软件对系统及建筑进行热力学、电气分析。结果得出在使用该混合能源系统时，可以减少太阳能电池板的使用面积，同时也能达到一定的能量收集率。混合系统与仅使用地源热泵的加热技术的建筑物相比，不论在加热季节还是冷却季节，混合系统的热泵COP均增加近1倍。该混合系统的使用使得化石燃料-丙烷的使用量减少93%左右，极大地提高建筑室内的安全性，增强建筑对生态环境的友好程度。

4结语

随着地热能资源运用广泛，将为建筑行业带来积极的推动作用。地热能使建筑环境质量整体提高的同时，也将带来巨大的经济和生态利益。

作者：陈召俊 单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院