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摘要：地?zé)?/a>能作為一種綠色清潔能源，在建筑建設(shè)中將發(fā)揮重要作用。研究介紹不同種類的地?zé)?a href="http://www.jrctt.com/article/754677.html" target="_blank">能在建筑環(huán)境、建筑節(jié)能中的應(yīng)用形式，探究淺層地?zé)崮?、水熱型地?zé)崮?、干熱巖型地?zé)崮艿榷喾N形式地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)與潛力，討論建筑環(huán)境中地?zé)崮艿睦碚撆c實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地?zé)崮埽粶\層地?zé)崮?；水熱型地?zé)崮?；干熱巖型地?zé)崮?；建筑環(huán)境

隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，供熱供暖、生活熱水等能源消耗占整個(gè)建筑能耗的50%左右[1]。地?zé)崮茏鳛橐环N綠色環(huán)保、可再生的能源，在建筑節(jié)能方面具有應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展更新，在一些環(huán)境友好城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)與利用，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、提高人們生活水平的效果。對(duì)地?zé)豳Y源的合理開(kāi)發(fā)利用已受到各界的重視，對(duì)地?zé)崮艿拈_(kāi)采研究已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。地?zé)崮艿哪芰縼?lái)自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，并且地?zé)崮艿膬?chǔ)量也非?？捎^。地層深處的地?zé)崮芙?jīng)由高溫熔漿、地下水傳遞到地表附近，然后利用一系列設(shè)施設(shè)備對(duì)被地下水傳遞到地表的熱力進(jìn)行捕獲利用。綜合考慮熱流體傳輸方式、溫度范圍以及開(kāi)發(fā)利用方式等因素，地?zé)豳Y源可分為淺層地?zé)崮堋⑺疅嵝偷責(zé)崮芎透蔁釒r型地?zé)崮堋?

1不同地?zé)崮茉诮ㄖh(huán)境中的概述

1.1淺層地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)與應(yīng)用

淺層地?zé)崮苜Y源指蘊(yùn)藏在淺層巖土體、地下水或地表水中可利用的熱能資源。淺層地?zé)崮艿哪芰恳话銉?chǔ)存在距離地表200m深的巖土體、地下水中；有的直接存儲(chǔ)在地表水中。淺層地?zé)崮軠囟纫话愕陀?5℃，且較為恒定，可用于供暖、供水。由于淺層地?zé)崮懿划a(chǎn)生任何其他污染物，因此是一種清潔環(huán)保、安全性高、不易受氣溫影響、來(lái)源穩(wěn)定可靠的可再生能源。目前對(duì)淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用方式主要以熱泵技術(shù)為主，采用地源熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮堋岜眉夹g(shù)進(jìn)而發(fā)展出4個(gè)分支技術(shù)包括：地下水源地源熱泵技術(shù)、土壤源地源熱泵技術(shù)、地表水水源熱泵技術(shù)和污水水源熱泵技術(shù)[2]。通過(guò)鋪設(shè)在地下的管道網(wǎng)絡(luò)以及地表對(duì)應(yīng)設(shè)備，可以在冬季寒冷時(shí)節(jié)為建筑捕獲熱量，夏季炎熱時(shí)節(jié)為建筑釋放熱量，從而使建筑物減少對(duì)其他能源的依賴，達(dá)到提高建筑周遭環(huán)境的潔凈程度。已有淺層地?zé)崮芗夹g(shù)被用于現(xiàn)代化建筑中，如淺層地?zé)崮芘c地下結(jié)構(gòu)的協(xié)同利用技術(shù)，主要應(yīng)用在樁埋換熱器中，此項(xiàng)技術(shù)在日本札幌城市大學(xué)建筑、南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)等建筑中都有應(yīng)用[3]。合肥市綠色節(jié)能建筑示范項(xiàng)目中，科學(xué)園小區(qū)內(nèi)有720個(gè)深入地下的雙“U”型地?zé)峁?，通過(guò)管網(wǎng)水循環(huán)將恒溫地?zé)崮茌斔椭粮髯魞?nèi)，讓室內(nèi)達(dá)到冬暖夏涼的效果。淺層地?zé)崮芗夹g(shù)的應(yīng)用為建筑物供給相當(dāng)一部分的清潔能源，根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的研究資料顯示，我國(guó)每年可以開(kāi)采利用的淺層地?zé)崮苜Y源，折合約為7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N分布廣泛、優(yōu)勢(shì)明顯的可再生能源，通過(guò)熱泵技術(shù)主要應(yīng)用于調(diào)節(jié)室內(nèi)居住環(huán)境，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)溫度環(huán)境。隨著淺層地?zé)崮芗夹g(shù)的發(fā)展，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到一種全面舒適的最終效果[5]。

1.2水熱型地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)與應(yīng)用

水熱型地?zé)崮芤哉羝鸵簯B(tài)水為主要載體的地?zé)崮茉?，具有綠色環(huán)保、清潔穩(wěn)定、分布廣泛的優(yōu)勢(shì)。水熱型地?zé)崮苁菍?duì)地下深層蒸汽與液態(tài)水熱能的直接利用，采用的技術(shù)也相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，提高了水熱型地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的普遍性。水熱型地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)利用方式分為兩種，一種是通過(guò)設(shè)備直接抽取位于地下的熱水，即“取水”；另一種利用深井換熱技術(shù)，又可以細(xì)分為同軸管換熱、深井熱交換器換熱和對(duì)接井換熱等技術(shù)，即“不取水只取熱”[6]。兩種技術(shù)的應(yīng)用可在相對(duì)較低的成本消耗下，為建筑直接提供生活供水或供暖供冷，例如在天津某小區(qū)內(nèi)的兩口地?zé)嵘罹?，地?zé)峋骄疃燃s為2800m，每個(gè)地?zé)峋谝粋€(gè)采暖季的平均換熱功率高達(dá)725kW，為該小區(qū)的建筑供暖提供一定的能源支持。為了保護(hù)地下水資源，近年來(lái)出臺(tái)了一系列針對(duì)地下水資源地保護(hù)政策，強(qiáng)調(diào)“既要抽取也要回灌”的地下水資源利用方針，但回灌也不是100%的，鑒于不同的熱儲(chǔ)形式，回灌效率不同[7]。對(duì)于水熱型地?zé)崮苜Y源開(kāi)采利用“不取水只取熱”的方式，換熱效率低于“取水”的方式，發(fā)展同軸管換熱、深井熱交換器換熱等能夠提高換熱效率技術(shù)具有重要意義。劉碩[8]等對(duì)太原市城區(qū)水熱型地?zé)崮艿馁Y源承載力進(jìn)行研究，科學(xué)地評(píng)估當(dāng)?shù)氐責(zé)崮芸衫靡约伴_(kāi)發(fā)潛力，為當(dāng)?shù)亟ㄖh(huán)境工程帶來(lái)收益。

1.3干熱巖型地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)與應(yīng)用

干熱巖型地?zé)崮苁且环N新型地?zé)崮苜Y源，特指埋深千米、溫度較高、有相當(dāng)規(guī)模的開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值熱巖體。干熱巖型地?zé)崮苁且环N清潔、高效、綠色環(huán)保的可再生地?zé)崮苜Y源，具有極大的發(fā)電與供暖潛力。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)陸地3~10km地層深度的干熱巖型地?zé)崮苜Y源總量，相當(dāng)于2010年我國(guó)能源總消耗量的4400倍。

2建筑環(huán)境中地?zé)崮艿南嚓P(guān)應(yīng)用研究

楊茜[9]等將地?zé)崮苜Y源在建筑環(huán)境中的開(kāi)發(fā)利用模塊化，并在每個(gè)模塊中細(xì)化，涵蓋地?zé)崮芙ㄖ玫倪m用范圍、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等，給出各個(gè)模塊的區(qū)分界限方便設(shè)計(jì)。地?zé)崮苤苯永媚K適用于地?zé)崴焚|(zhì)較高的場(chǎng)合，而地?zé)崮荛g接利用模塊則適用于具有腐蝕性、容易生成礦物質(zhì)結(jié)垢的地?zé)崴?。由于地?zé)崮茉诮ㄖh(huán)境設(shè)計(jì)中存在特有的復(fù)雜性，光靠簡(jiǎn)單的混合分析不完全可靠，但將其整理為各個(gè)模塊，再結(jié)合所處地域的自然條件、資源，就可以做到自上而下、逐步求精的效果，極大地提高建筑設(shè)計(jì)中關(guān)于節(jié)能減排方面的設(shè)計(jì)難度。姚燕楓[10]通過(guò)對(duì)位于天津市濱海新區(qū)的供暖熱源案例進(jìn)行分析，為“地?zé)峋?水源熱泵”供熱系統(tǒng)方案提供可行性證明。該供熱系統(tǒng)通過(guò)地?zé)峋约八礋岜眉夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)崮艿亩卫?，從而提高深層地?zé)崮艿睦眯省＝?jīng)過(guò)計(jì)算，“地?zé)峋?水源熱泵”供熱系統(tǒng)提供的熱量占所有設(shè)備總熱負(fù)荷的78%，即該供暖系統(tǒng)可以在一個(gè)供暖季提供大部分熱能，同時(shí)整個(gè)熱源系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)期運(yùn)行良好，為建筑提供穩(wěn)定舒適的供暖溫度，并且經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，該系統(tǒng)為建筑供暖方面，每年節(jié)約800t標(biāo)準(zhǔn)煤，該系統(tǒng)具有向外推廣的積極意義。房賢印[11]在建筑節(jié)能的理論探討中開(kāi)展關(guān)于地?zé)峁┡O(shè)計(jì)控制策略的研究。通過(guò)對(duì)自控策略的運(yùn)用，加上對(duì)地?zé)?、水熱物性參?shù)的分析，進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造，例如加入自控閥門(mén)等，有效提升地?zé)崮艿睦眯?，也使系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用下降。地?zé)崮茉诮ㄖ?jié)能中的設(shè)計(jì)應(yīng)按照地?zé)峁┡到y(tǒng)的獨(dú)特性能，合理調(diào)配相應(yīng)的控制策略。

3地?zé)崮茉诮ㄖ?jié)能中的創(chuàng)新性研究

Lyu[12]等研究認(rèn)為，淺層地?zé)崮艿臏囟确浅＿m合建筑物外殼與建筑物內(nèi)部空氣的加熱與冷卻。由此設(shè)計(jì)一種綜合集成系統(tǒng)，通過(guò)TRNSYS在北京某辦公樓對(duì)該集成系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)集成系統(tǒng)的運(yùn)行溫度及能耗進(jìn)行分析，最后得出集成系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)地源熱泵，全年運(yùn)行溫度不超過(guò)28℃，節(jié)能效率提高29%，建筑年累計(jì)負(fù)荷與二氧化碳排放量更低、熱泵容量更小。該綜合集成系統(tǒng)提高了漸層地?zé)崮艿哪芰坷寐剩餐瑫r(shí)印證該系統(tǒng)具有更大的節(jié)能價(jià)值與潛在的經(jīng)濟(jì)效益。Seyam[13]等在一棟3層住宅建筑設(shè)計(jì)一套地?zé)崮芘c太陽(yáng)能的混合能源系統(tǒng)，利用EES軟件對(duì)系統(tǒng)及建筑進(jìn)行熱力學(xué)、電氣分析。結(jié)果得出在使用該混合能源系統(tǒng)時(shí)，可以減少太陽(yáng)能電池板的使用面積，同時(shí)也能達(dá)到一定的能量收集率?；旌舷到y(tǒng)與僅使用地源熱泵的加熱技術(shù)的建筑物相比，不論在加熱季節(jié)還是冷卻季節(jié)，混合系統(tǒng)的熱泵COP均增加近1倍。該混合系統(tǒng)的使用使得化石燃料-丙烷的使用量減少93%左右，極大地提高建筑室內(nèi)的安全性，增強(qiáng)建筑對(duì)生態(tài)環(huán)境的友好程度。

4結(jié)語(yǔ)

隨著地?zé)崮苜Y源運(yùn)用廣泛，將為建筑行業(yè)帶來(lái)積極的推動(dòng)作用。地?zé)崮苁菇ㄖh(huán)境質(zhì)量整體提高的同時(shí)，也將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)利益。

作者：陳召俊 單位：武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院