導語：地熱能在建筑環(huán)境的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：地熱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熱能在建筑環(huán)境、建筑節(jié)能中的應(yīng)用形式，探究淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖型地熱能等多種形式地熱能的優(yōu)勢與潛力，討論建筑環(huán)境中地熱能的理論與實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地熱能；淺層地熱能；水熱型地熱能；干熱巖型地熱能；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建筑能耗的50%左右[1]。地熱能作為一種綠色環(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)實現(xiàn)對淺層地熱能的開發(fā)與利用，達到保護環(huán)境、提高人們生活水平的效果。對地熱資源的合理開發(fā)利用已受到各界的重視，對地熱能的開采研究已成為當下的研究熱點。地熱能的能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，并且地熱能的儲量也非?？捎^。地層深處的地熱能經(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)備對被地下水傳遞到地表的熱力進行捕獲利用。綜合考慮熱流體傳輸方式、溫度范圍以及開發(fā)利用方式等因素，地熱資源可分為淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖型地熱能。

1不同地熱能在建筑環(huán)境中的概述

1.1淺層地熱能的優(yōu)勢與應(yīng)用

淺層地熱能資源指蘊藏在淺層巖土體、地下水或地表水中可利用的熱能資源。淺層地熱能的能量一般儲存在距離地表200m深的巖土體、地下水中；有的直接存儲在地表水中。淺層地熱能溫度一般低于25℃，且較為恒定，可用于供暖、供水。由于淺層地熱能不產(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、來源穩(wěn)定可靠的可再生能源。目前對淺層地熱能的開發(fā)利用方式主要以熱泵技術(shù)為主，采用地源熱泵技術(shù)開發(fā)淺層地熱能。熱泵技術(shù)進而發(fā)展出4個分支技術(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]。通過鋪設(shè)在地下的管道網(wǎng)絡(luò)以及地表對應(yīng)設(shè)備，可以在冬季寒冷時節(jié)為建筑捕獲熱量，夏季炎熱時節(jié)為建筑釋放熱量，從而使建筑物減少對其他能源的依賴，達到提高建筑周遭環(huán)境的潔凈程度。已有淺層地熱能技術(shù)被用于現(xiàn)代化建筑中，如淺層地熱能與地下結(jié)構(gòu)的協(xié)同利用技術(shù)，主要應(yīng)用在樁埋換熱器中，此項技術(shù)在日本札幌城市大學建筑、南京朗詩國際街區(qū)等建筑中都有應(yīng)用[3]。合肥市綠色節(jié)能建筑示范項目中，科學園小區(qū)內(nèi)有720個深入地下的雙“U”型地熱管，通過管網(wǎng)水循環(huán)將恒溫地熱能輸送至各住戶內(nèi)，讓室內(nèi)達到冬暖夏涼的效果。淺層地熱能技術(shù)的應(yīng)用為建筑物供給相當一部分的清潔能源，根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的研究資料顯示，我國每年可以開采利用的淺層地熱能資源，折合約為7億噸標準煤[4]。淺層地熱能作為一種分布廣泛、優(yōu)勢明顯的可再生能源，通過熱泵技術(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。隨著淺層地熱能技術(shù)的發(fā)展，使室內(nèi)環(huán)境達到一種全面舒適的最終效果[5]。

1.2水熱型地熱能的優(yōu)勢與應(yīng)用

水熱型地熱能以蒸汽和液態(tài)水為主要載體的地熱能源，具有綠色環(huán)保、清潔穩(wěn)定、分布廣泛的優(yōu)勢。水熱型地熱能是對地下深層蒸汽與液態(tài)水熱能的直接利用，采用的技術(shù)也相對簡單、經(jīng)濟，提高了水熱型地熱能開發(fā)利用的普遍性。水熱型地熱能資源的開發(fā)利用方式分為兩種，一種是通過設(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)，又可以細分為同軸管換熱、深井熱交換器換熱和對接井換熱等技術(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)的兩口地熱深井，地熱井平均深度約為2800m，每個地熱井在一個采暖季的平均換熱功率高達725kW，為該小區(qū)的建筑供暖提供一定的能源支持。為了保護地下水資源，近年來出臺了一系列針對地下水資源地保護政策，強調(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，鑒于不同的熱儲形式，回灌效率不同[7]。對于水熱型地熱能資源開采利用“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]等對太原市城區(qū)水熱型地熱能的資源承載力進行研究，科學地評估當?shù)氐責崮芸衫靡约伴_發(fā)潛力，為當?shù)亟ㄖh(huán)境工程帶來收益。

1.3干熱巖型地熱能的優(yōu)勢與應(yīng)用

干熱巖型地熱能是一種新型地熱能資源，特指埋深千米、溫度較高、有相當規(guī)模的開發(fā)經(jīng)濟價值熱巖體。干熱巖型地熱能是一種清潔、高效、綠色環(huán)保的可再生地熱能資源，具有極大的發(fā)電與供暖潛力。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國陸地3~10km地層深度的干熱巖型地熱能資源總量，相當于2010年我國能源總消耗量的4400倍。

2建筑環(huán)境中地熱能的相關(guān)應(yīng)用研究

楊茜[9]等將地熱能資源在建筑環(huán)境中的開發(fā)利用模塊化，并在每個模塊中細化，涵蓋地熱能建筑利用的適用范圍、設(shè)計要點等，給出各個模塊的區(qū)分界限方便設(shè)計。地熱能直接利用模塊適用于地熱水品質(zhì)較高的場合，而地熱能間接利用模塊則適用于具有腐蝕性、容易生成礦物質(zhì)結(jié)垢的地熱水。由于地熱能在建筑環(huán)境設(shè)計中存在特有的復(fù)雜性，光靠簡單的混合分析不完全可靠，但將其整理為各個模塊，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)計中關(guān)于節(jié)能減排方面的設(shè)計難度。姚燕楓[10]通過對位于天津市濱海新區(qū)的供暖熱源案例進行分析，為“地熱井+水源熱泵”供熱系統(tǒng)方案提供可行性證明。該供熱系統(tǒng)通過地熱井以及水源熱泵技術(shù)，實現(xiàn)對地熱能的二次利用，從而提高深層地熱能的利用效率。經(jīng)過計算，“地熱井+水源熱泵”供熱系統(tǒng)提供的熱量占所有設(shè)備總熱負荷的78%，即該供暖系統(tǒng)可以在一個供暖季提供大部分熱能，同時整個熱源系統(tǒng)在整個試驗期運行良好，為建筑提供穩(wěn)定舒適的供暖溫度，并且經(jīng)過經(jīng)濟性分析，該系統(tǒng)為建筑供暖方面，每年節(jié)約800t標準煤，該系統(tǒng)具有向外推廣的積極意義。房賢印[11]在建筑節(jié)能的理論探討中開展關(guān)于地熱供暖設(shè)計控制策略的研究。通過對自控策略的運用，加上對地熱、水熱物性參數(shù)的分析，進行節(jié)能技術(shù)升級改造，例如加入自控閥門等，有效提升地熱能的利用效率，也使系統(tǒng)的運行費用下降。地熱能在建筑節(jié)能中的設(shè)計應(yīng)按照地熱供暖系統(tǒng)的獨特性能，合理調(diào)配相應(yīng)的控制策略。

3地熱能在建筑節(jié)能中的創(chuàng)新性研究

Lyu[12]等研究認為，淺層地熱能的溫度非常適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)計一種綜合集成系統(tǒng)，通過TRNSYS在北京某辦公樓對該集成系統(tǒng)進行模擬仿真，并對集成系統(tǒng)的運行溫度及能耗進行分析，最后得出集成系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)地源熱泵，全年運行溫度不超過28℃，節(jié)能效率提高29%，建筑年累計負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)提高了漸層地熱能的能量利用率，也同時印證該系統(tǒng)具有更大的節(jié)能價值與潛在的經(jīng)濟效益。Seyam[13]等在一棟3層住宅建筑設(shè)計一套地熱能與太陽能的混合能源系統(tǒng)，利用EES軟件對系統(tǒng)及建筑進行熱力學、電氣分析。結(jié)果得出在使用該混合能源系統(tǒng)時，可以減少太陽能電池板的使用面積，同時也能達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，增強建筑對生態(tài)環(huán)境的友好程度。

4結(jié)語

隨著地熱能資源運用廣泛，將為建筑行業(yè)帶來積極的推動作用。地熱能使建筑環(huán)境質(zhì)量整體提高的同時，也將帶來巨大的經(jīng)濟和生態(tài)利益。

作者：陳召俊 單位：武漢理工大學土木工程與建筑學院