建筑節(jié)能之地?zé)釕?yīng)用

李向勇

能源短缺已不容忽視,節(jié)約能源已受到世界性的普遍關(guān)注。目前,全世界有近30%的能源消耗在建筑物上,長(zhǎng)此以往,將嚴(yán)重影響世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而我國(guó)的建筑能耗量約占全國(guó)總用能量的1/4,居耗能首位。因此,建筑節(jié)能必然成為人類(lèi),特別是我國(guó)節(jié)約能源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 節(jié)約現(xiàn)有能源與開(kāi)發(fā)新能源

節(jié)能應(yīng)該包含兩層含義：節(jié)約使用現(xiàn)有常用的能源和開(kāi)發(fā)并利用新的能源。建筑節(jié)能同樣要從這兩個(gè)方面著手。

建筑上節(jié)約使用現(xiàn)有常用能源的最關(guān)鍵因素是從建筑物的造型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式著手。直接的影響包括建筑物與外環(huán)境的換熱量、自然通風(fēng)狀況和自然采光水平等。而這三方面涉及的內(nèi)容將構(gòu)成70%以上的建筑采暖通風(fēng)空調(diào)能耗。

建筑上開(kāi)發(fā)并利用新的能源,這些能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿榷喾N形式。同現(xiàn)有常用的能源相比,這些能源還有另外一個(gè)特點(diǎn)就是可再生,稱(chēng)為可再生能源。地?zé)崮芫褪强稍偕茉?應(yīng)提倡在建筑中廣泛應(yīng)用。而且與太陽(yáng)能、風(fēng)能不同,地?zé)崮茉吹膩?lái)源相對(duì)要穩(wěn)定得多。

2 各國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)與研究

地?zé)崮茉吹睦?在世界上已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多年,并且有的國(guó)家在這一領(lǐng)域取得巨大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。冰島人口不到30萬(wàn),面積為10.3萬(wàn)km2,是世界上地殼運(yùn)動(dòng)最活躍的地區(qū)之一。全島有火山200多處,其中活火山30余座,平均每5年就有一次火山噴發(fā)。水溫高于200℃的高溫地?zé)釁^(qū)26個(gè),天然溫泉800余處。冰島因此成為世界上地?zé)豳Y源最豐富的國(guó)家之一。熱能儲(chǔ)量巨大,如全部加以利用,每年可發(fā)電800多億度。由于地?zé)豳Y源的廉價(jià)、清潔,自1975年冰島大規(guī)模使用地?zé)豳Y源后,石油等能源進(jìn)口大大減少,二氧化碳等溫室氣體排放量提前幾十年就已達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

丹麥?zhǔn)锥几绫竟壳耙呀?jīng)能利用地?zé)豳Y源為其百分之一的家庭,5 000家住戶(hù)供暖。早在2005年,馬格利特地?zé)釓S就開(kāi)始運(yùn)作。他們把地下2 600 m深處的地?zé)崴帽贸樯蟻?lái),通過(guò)熱能交換機(jī)轉(zhuǎn)換成熱量供給居民供暖。

在地?zé)嵫芯糠矫?美國(guó)于1974年在芬頓山建立干熱巖試驗(yàn)站,鉆井至2 000 m處約200℃的花崗巖,然后往井中注入20℃的常溫水,在高壓下花崗巖產(chǎn)生裂縫,形成千熱巖熱儲(chǔ)。日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織于1985年在火山口處的皺折建立了干熱抽試驗(yàn)站,1991年,從1 800 m的地下裂隙系統(tǒng)成功抽出了熱能,1992年,又建立了2 200 m的熱儲(chǔ)層,溫度達(dá)270℃。德國(guó)和法國(guó)于1986年聯(lián)合在蘇爾士開(kāi)展巖體熱能利用項(xiàng)目。

3 我國(guó)地?zé)豳Y源

中國(guó)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求,十年來(lái),每年以12%的速度增長(zhǎng),到1998年年底,地?zé)岵膳娣e已近800萬(wàn)m2;地?zé)釡厥颐娣e70萬(wàn)m2;地?zé)狃B(yǎng)殖面積300萬(wàn) m2;洗浴和溫泉療養(yǎng)1 600多處,地?zé)嶂苯永靡?guī)模已逾500萬(wàn)t/年標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。最近兩年,在中國(guó)的東北高緯度寒冷的大慶地區(qū)和西北干旱的寧夏銀川地區(qū)開(kāi)展了地?zé)峥碧胶烷_(kāi)發(fā)利用工作,巨大的盆地型地?zé)豳Y源已被證實(shí)。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查,全國(guó)已發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓? 200多處,其中進(jìn)行地?zé)峥辈榈牟⒁褜?duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行評(píng)價(jià)的地?zé)崽镉?0多處,全國(guó)已打成地?zé)峋? 000多眼。發(fā)現(xiàn)高溫地?zé)嵯到y(tǒng)255處,主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。發(fā)現(xiàn)中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)2 900多處,總計(jì)天然放熱量約相當(dāng)于每年360萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。

4 地源熱泵的設(shè)計(jì)

地源熱泵系統(tǒng)包括3種不同的系統(tǒng)：1)土壤源熱泵;2)地下水熱泵系統(tǒng);3)地表水熱泵系統(tǒng)。

以上3種系統(tǒng),實(shí)際上是指通過(guò)將傳統(tǒng)的空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)器延伸至地下,使其與淺層巖土或地下水進(jìn)行熱交換,或是通過(guò)中間介質(zhì)作為熱載體,并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過(guò)在淺層巖土中循環(huán)流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源利用技術(shù)。

雖然在這3種系統(tǒng)中,采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好,能耗低,性能系數(shù)高于土壤源熱泵。然而,由于前兩種系統(tǒng)受到地下水或地表水資源的環(huán)境限制,并非處處存在,因此土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下三方面內(nèi)容：

1)地下熱交換器設(shè)計(jì)。首先,要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李?lèi)型以及鉆孔費(fèi)用,確定熱交換器是采用垂直豎井布置,還是水平布置方式。

地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費(fèi)用較高,并且長(zhǎng)度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費(fèi)用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí),其換熱量相同,壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。

管徑必須滿(mǎn)足兩個(gè)要求：管道要大到足夠保持最小輸送功率;管道要小到足以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。

地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外,還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料,如地下溫度、傳熱系數(shù)等。在實(shí)際工程中,可以利用管材“換熱能力”來(lái)計(jì)算管長(zhǎng),換熱能力即單位管長(zhǎng)的換熱量。

確定管道間距和長(zhǎng)度,對(duì)于垂直豎井就是要選擇豎井深度和豎井間距,而水平布置就是水平管道長(zhǎng)度和垂直方向管道層之間的間距。

在同程系統(tǒng)中,選擇壓力損失最大的熱泵機(jī)組所在環(huán)路作為最不利環(huán)路進(jìn)行阻力計(jì)算。計(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失,再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失,確定水泵的揚(yáng)程。根據(jù)系統(tǒng)總流量和水泵揚(yáng)程,選擇滿(mǎn)足要求的水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)。管路最大壓力應(yīng)小于管材的承壓能力,管路所需承受的最大壓力等于大氣壓力、重力作用靜壓和水泵揚(yáng)程一半的總和。

2)建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算。建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同,可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)。

3)冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算。冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù),計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用符合設(shè)計(jì)工況下的地源熱泵機(jī)組。地源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)長(zhǎng)江流域及其周?chē)貐^(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景,但有關(guān)影響土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要因素的研究還很有限,設(shè)計(jì)時(shí)大致可以遵循以下原則：a.若建筑物周?chē)衫玫乇砻娣e充足,應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式;相反,若建筑物周?chē)衫玫乇砻娣e有限,應(yīng)采用豎直埋管方式。b.盡管可以采用串聯(lián)、并聯(lián)方式連接埋管,但并聯(lián)方式采用小管徑,初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低,在實(shí)際工程中常用,且為了保持各并聯(lián)環(huán)路之間阻力平衡,最好設(shè)計(jì)成同程式。c.選擇管徑時(shí),除考慮安裝成本外,一般把各管段壓力損失控制在當(dāng)量長(zhǎng)度為4以下,同時(shí)應(yīng)使管內(nèi)流動(dòng)處于紊流過(guò)渡區(qū)。

5 結(jié)語(yǔ)

地?zé)豳Y源是可以再生的綠色能源,而地源熱泵技術(shù)對(duì)地?zé)豳Y源的要求不高,可以在各個(gè)區(qū)域廣泛應(yīng)用,是建筑設(shè)計(jì)中使建筑物達(dá)到“節(jié)能、環(huán)保”的有效手段之一,廣大建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)積極掌握并將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。

[1]GB 50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]韓慧民.土壤源熱泵在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2005,29(2)：171-173.

[3]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]徐 偉.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.