建筑节能之地热应用

2010-08-15李向勇

山西建筑 2010年13期

李向勇

能源短缺已不容忽视,节约能源已受到世界性的普遍关注。目前,全世界有近30%的能源消耗在建筑物上,长此以往,将严重影响世界经济的可持续发展。而我国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4,居耗能首位。因此,建筑节能必然成为人类,特别是我国节约能源的一个重要环节。

1 节约现有能源与开发新能源

节能应该包含两层含义：节约使用现有常用的能源和开发并利用新的能源。建筑节能同样要从这两个方面着手。

建筑上节约使用现有常用能源的最关键因素是从建筑物的造型及围护结构形式着手。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。

建筑上开发并利用新的能源,这些能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等多种形式。同现有常用的能源相比,这些能源还有另外一个特点就是可再生,称为可再生能源。地热能就是可再生能源,应提倡在建筑中广泛应用。而且与太阳能、风能不同,地热能源的来源相对要稳定得多。

2 各国地热开发与研究

地热能源的利用,在世界上已经开发了很多年,并且有的国家在这一领域取得巨大的经济回报。冰岛人口不到30万,面积为10.3万km2,是世界上地壳运动最活跃的地区之一。全岛有火山200多处,其中活火山30余座,平均每5年就有一次火山喷发。水温高于200℃的高温地热区26个,天然温泉800余处。冰岛因此成为世界上地热资源最丰富的国家之一。热能储量巨大,如全部加以利用,每年可发电800多亿度。由于地热资源的廉价、清洁,自1975年冰岛大规模使用地热资源后,石油等能源进口大大减少,二氧化碳等温室气体排放量提前几十年就已达到了国际标准。

丹麦首都哥本哈根目前已经能利用地热资源为其百分之一的家庭,5 000家住户供暖。早在2005年,马格利特地热厂就开始运作。他们把地下2 600 m深处的地热水用泵抽上来,通过热能交换机转换成热量供给居民供暖。

在地热研究方面,美国于1974年在芬顿山建立干热岩试验站,钻井至2 000 m处约200℃的花岗岩,然后往井中注入20℃的常温水,在高压下花岗岩产生裂缝,形成千热岩热储。日本新能源与工业技术发展组织于1985年在火山口处的皱折建立了干热抽试验站,1991年,从1 800 m的地下裂隙系统成功抽出了热能,1992年,又建立了2 200 m的热储层,温度达270℃。德国和法国于1986年联合在苏尔士开展岩体热能利用项目。

3 我国地热资源

中国地热开发利用,随着社会经济和生态环境建设的需求,十年来,每年以12%的速度增长,到1998年年底,地热采暖面积已近800万m2;地热温室面积70万m2;地热养殖面积300万 m2;洗浴和温泉疗养1 600多处,地热直接利用规模已逾500万t/年标准煤当量。最近两年,在中国的东北高纬度寒冷的大庆地区和西北干旱的宁夏银川地区开展了地热勘探和开发利用工作,巨大的盆地型地热资源已被证实。通过地质调查,全国已发现地热异常3 200多处,其中进行地热勘查的并已对地热资源进行评价的地热田有50多处,全国已打成地热井2 000多眼。发现高温地热系统255处,主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。发现中低温地热系统2 900多处,总计天然放热量约相当于每年360万t标准煤当量。

4 地源热泵的设计

地源热泵系统包括3种不同的系统：1)土壤源热泵;2)地下水热泵系统;3)地表水热泵系统。

以上3种系统,实际上是指通过将传统的空调器的冷凝器或蒸发器延伸至地下,使其与浅层岩土或地下水进行热交换,或是通过中间介质作为热载体,并使中间介质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流动,从而实现对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源利用技术。

虽然在这3种系统中,采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好,能耗低,性能系数高于土壤源热泵。然而,由于前两种系统受到地下水或地表水资源的环境限制,并非处处存在,因此土壤源热泵系统应用更加广泛。该系统的设计主要包括以下三方面内容：

1)地下热交换器设计。首先,要根据现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用,确定热交换器是采用垂直竖井布置,还是水平布置方式。

地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种。串联系统管径较大,管道费用较高,并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,压降特性有利于提高系统能力。

管径必须满足两个要求：管道要大到足够保持最小输送功率;管道要小到足以保证流体与管道内壁之间的传热。

地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外,还需要有当地的土壤技术资料,如地下温度、传热系数等。在实际工程中,可以利用管材“换热能力”来计算管长,换热能力即单位管长的换热量。

确定管道间距和长度,对于垂直竖井就是要选择竖井深度和竖井间距,而水平布置就是水平管道长度和垂直方向管道层之间的间距。

在同程系统中,选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。计算最不利环路所得的管道压力损失,再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失,确定水泵的扬程。根据系统总流量和水泵扬程,选择满足要求的水泵型号及台数。管路最大压力应小于管材的承压能力,管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和。

2)建筑物冷热负荷计算。建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同,可参考有关空调系统设计手册。

3)冬夏季地下换热量计算。冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数,计算时应从样本中选用符合设计工况下的地源热泵机组。地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景,但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素的研究还很有限,设计时大致可以遵循以下原则：a.若建筑物周围可利用地表面积充足,应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式;相反,若建筑物周围可利用地表面积有限,应采用竖直埋管方式。b.尽管可以采用串联、并联方式连接埋管,但并联方式采用小管径,初投资及运行费用均较低,在实际工程中常用,且为了保持各并联环路之间阻力平衡,最好设计成同程式。c.选择管径时,除考虑安装成本外,一般把各管段压力损失控制在当量长度为4以下,同时应使管内流动处于紊流过渡区。