基于地热能利用的生态建筑能源技术

  随着生活水平的提高, 人们对生活环境的质量要求也越来越高, 随之带来的便是建筑能耗急剧上升。目前, 建筑能耗在社会总能耗中占很大比例, 据统计, 西方发达国家为30%～45%, 其中美国为33.7%, 法国为45%, 而我国已达到20%～25%, 并逐步上升到30%[1];另一方面现在全球使用的可再生能源( 太阳能、地热能及风能等) 只占总能源需求的2%～4%[2]。因此, 在能源如此短缺的今天, 应大力提倡生态建筑能源的概念, 尽可能利用清洁可再生能源, 以实现建筑、能源与环境及社会的可持续发展。本文拟就地热能在生态建筑中的利用技术进行讨论。

 

  1 生态建筑

 

  1.1 生态建筑的由来

 

  生态建筑本质上是从生态学的角度来考虑建筑设计,是生态学与建筑学相结合的产物, 它用生态学原理和方法, 以人、建筑、自然和社会协调发展为目标, 有节制地利用和改造自然, 寻求最适合人类生存与发展的生态建筑环境, 将建筑环境作为一个有机的、具有结构和功能的整体系统来看待[3]。1869 年, 德国生物学家赫克尔首次提出了生态学的概念; 20 世纪60 年代, 建筑师保罗·索勒里( Paolo Soleri) 创建了城市生态学理论, 把生态学和建筑学合为一体, 即Arcology, 意为生态建筑学, 并在《生态建筑学: 人类理想中的城市》中提出了生态建筑学的理论。1969 年, 美国著名景观建筑师麦克哈格所著《结合自然的设计》(Design with Nature) 的出版, 标志着生态建筑学的正式诞生[3]。

 

  1.2 生态建筑设计的基本原则与目标

 

  生态建筑的设计充分考虑建筑物对自然环境的适应和影响以及与自然环境之间物质与能量的交换。设计应体现以下几个原则: ① 尊重和保护自然生态环境, 尽量减少对生物圈的破坏; ② 为使用者创造一个高品质的室内环境; ③ 充分结合当地气候特征、地形地貌特征及资源情况, 使建筑本土化; ④ 充分利用资源, 并节省资源, 用"最少"满足"最多"; ⑤ 给建筑未来的发展留下足够的空间。目前, 在资源匮乏的今天特别强调在资源利用方面要体现5R 原则[3], 即Revalue( 再考虑) 、Renew( 更新) 、Reduce( 节约) 、Reuse( 再利用) 及Recycle( 循环利用) 。具体从能源的角度上看, 就是要重视建筑节能技术和合理地使用能源, 尽可能多地利用诸如太阳能、地热能、风能、生物质能等可再生能源,减少对传统矿物能源的依赖, 在保证不破坏生态系统的前提下, 为人类营造一个良好舒适的生活环境。生态建筑设计的最终目标就是要实现资源的有效利用、舒适健康的生存环境及生态建筑的可持续性。

 

  2 地热能的直接利用

 

  2.1 覆(掩)土建筑

 

  无论什么结构形式的建筑, 只要其中有一部分或全部用土覆盖的均可称为覆土建筑[4]。覆土建筑的主要优点来自地下空间及土壤的热工特性( 恒温恒湿) , 并以节约用地、节省能源、美化环境的特点而被世界许多地方所接受。如我国西北部黄土地带的窑洞民居, 建造在地势高、土质均匀丰厚的约8m 深的黄土层中, 使室内温度四季适宜, 且在窑洞的屋顶亦可种植庄稼, 满足农业生产的需要, 实属于生态建筑的典范。在现代城市建筑设计中, 也有许多特殊功能的建筑建于地下, 如市政工程、人防掩蔽所、地铁、车站、购物中心、仓库及图书馆等, 其中最为著名的要数由贝津铭设计的法国卢浮宫扩建建筑[3]。

 

  2.2 地下通风空调

 

  已有研究表明: 在地下5m 以下的土壤温度基本上不随室外气温的改变而变化, 并且约等于当地年平均气温。因此从理论上讲, 用土壤本身即可进行采暖空调, 即考虑用地下通风管道来对进入室内的新鲜空气进行加热与冷却,以实现自然空调, 从而达到节能、节地及美化环境的功效。在法兰克福商业银行办公楼中,维持整栋大厦内空调环境几乎全靠地下通风系统来实现, 而作为应付极端气候条件的备用中央空调系统至今未被启用[5]。

 

  2.3 地下季节性储能技术

 

  由于地下土壤本身具有储能特性, 而且温度全年相对稳定, 地下空间( 如建筑物底部) 可以用来季节性储能。通常的做法是在建筑物的底部设置一大的水池,并装满诸如卵石等热容量较大的物质, 这样夏季即可将富余的热能( 如太阳能) 储存于地下以备冬季采暖用, 冬季亦可储存冷量以备夏季空调用。目前欧洲、北美发展已比较成熟及我国近期发展比较迅速的地源热泵技术, 在一定程度上就是利用了这一原理。地下季节性储能技术在德国柏林国会大厦的改建工程中得到了充分的考虑, 使能源利用达到了最佳效果[2]。

 

  2.4 地热水采暖与空调

 

  ( 1) 地热水采暖。地热采暖主要是指北方供暖地区直接利用中低温地下热水来为建筑物进行采暖。我国的中低温地热资源分布比较广泛, 水温一般在50℃～120℃之间, 具有很好的直接利用条件。截至2000 年底, 全国地热供暖面积约达1000 万m2, 大多分布在北方地区。

 

  如天津市地热供热面积已达800 万m2, 而且形成了地热供暖小区, 在减少煤炭消耗、保护环境方面发挥了积极作用[6]。目前, 地热供暖技术比较成熟, 地热水温度从60℃到90℃以上都有很多成功的工程。

 

  ( 2) 地热水空调。由于地下水温度常年一般比较稳定, 分别在冬夏两季高出和低于对应地面空气温度, 因此可通过钻井直接抽取地下水的方法来进行空调。目前这一"自然空调"技术在我国许多地方及领域已被采用。例如纺织行业, 夏季用深井水作为冷源来对生产车间进行降温去湿; 偌曼.福斯特事务所设计的伦敦市政厅及由Mecanoo 设计的位于荷兰的戴尔福特技术大学图书馆中也都采用了地下水空调, 大大地降低了建筑物的空调能源消耗[2]。尽管地下水钻井费用比较高, 初投资大, 但其运行费用低( 几乎不消耗能源) , 污染小,不仅有很好的社会效益, 用户也有很好的经济效益。因此只要合理加以开发与利用, 就有很好的发展前景。

 

  2.5 其他

 

  除上述直接利用形式以外, 根据温度的不同, 地热也广泛用于种植、养殖、温泉疗养及工业利用等领域。

 

  我国河北省的地热资源丰富, 地热温室比较普遍; 利用地热养殖种苗越冬, 养殖品种繁多, 效益显著。兴建温泉旅游度假村、康复中心等也已成为低温地热利用的热点, 例如青海西宁市郊15 km 的塔尔寺风景区, 已利用地热供5000m2 宾馆、10000m2 度假村及游泳池和理疗中心等应用[6]。

 

  3 地热能的间接利用

 

  地热能的间接利用主要包括两种情况: 一种是指地下能源的品位较低, 直接利用时其温度范围不足以满足建筑物采暖空调的要求( 夏季时太高, 冬季时太低) , 需要对其进行提升到一定品位后方可利用的形式, 目前应用比较普遍的要数用热泵对其进行提升的地源热泵(GSHP) 技术; 另一种采用能量转换的办法,例如将地热能转变为电能的地热发电技术。

 

  3.1 地源热泵

 

  地源热泵(GSHP) 是利用地下土壤或水中的能量作为热泵低位热源, 主要由室外管路系统、热泵工质循环系统及室内空调管路系统组成。室外管路系统由埋设于地下土壤或水中的PVC 盘管构成, 其中盘管作为换热器, 冬季作为热源从土壤或水中取热( 相当于常规空调系统的锅炉) ; 在夏季作为冷源向土壤或水中放热( 相当于常规空调系统中的冷却塔) , 结构示意图如图1 所示。GSHP 因其节能性及与环境的友好性而备受世界各国青睐, 是近几年浅层地热能在生态建筑利用研究中的一个热点。

 

  根据地下换热盘管在地下敷设形式的不同及是否有辅助冷热源, GSHP 可分为闭式系统、开式系统、直接膨胀式系统及混合式系统。

 

  ( 1) 闭式系统

 

  闭式系统指的是通过水或防冻液在预埋地下的塑料管中进行循环流动来传递热量的地下换热系统。根据埋管在地下的布置形式及位置的不同有水平环路、垂直环路、螺旋型环路、池塘湖泊环路及桩埋环路5 种形式。

 

  ① 水平环路( 如图2 所示) , 适合于有足够空闲场地的地方, 其埋管深度通常在1.2～3.0m, 常采用单层或多层串、并联水平平铺埋管。采用水平环路的优点是施工方便、造价低; 缺点是换热器传热效果差、受地面温度波动影响较大、热泵运行不稳定, 同时占地面积也较大( 一般为采暖面积的2 倍左右) , 目前应用比较少。

 

  ② 垂直环路( 如图3 所示) , 适合于10～100 m 埋深的垂直单U 型或多U 型埋管及套管。采用垂直环路的优点是占地面积小, 深层土壤的全年温度比较稳定、热泵运行稳定; 缺点是钻孔、土建及埋管等费用较高( 一般占到系统总投资的50%左右) 。该形式目前应用比较多, 是当前地下埋管的主流。

 

  ③ 螺旋型环路( 如图4 所示) , 结合了水平与垂直环路的优点, 占地面积少、安装费用低; 但其管道系统结构复杂、管道加工困难, 而且系统运行阻力大, 能耗偏高。该系统通常适用于冷量较小的情况, 如果工程设计恰当, 将与垂直和水平环路一样有效。

 

  ④ 池塘湖泊环路, 用地表水作为热泵冷( 热) 源,适用于附近有江河湖泊等水域的地方。为使系统运行良好, 水域大小最好在4000m2 以上, 深度超过4.6 m;管环根据用户需要及具体地形可采用水平、垂直、螺旋及混合环路等。该系统安装费用不高, 即使水面结冰,仍能正常工作。

 

  ⑤ 桩埋环路, 是指利用建筑地桩或在混凝土构件中充满液体的管路系统的取( 放) 热来进行采暖与空调。奥地利在20 世纪80 年代末期就开始将该技术用于建筑物的供暖与降温。在土地匮乏的当今, 该技术日益受到重视, 有着很广阔的利用前景。

 

  ( 2) 开式系统

 

  开式系统主要是利用地下或地表水作为冷热源的热泵系统, 因此又可称之为"地下水源热泵", 其形式有单井系统( 图5, 图6) 、双井系统( 图7) 及地表水系统( 图8) 之分。开式系统的优点是设计简单, 换热效率高, 传热性能好, 初投资比闭式小; 缺点是需水量较大,不一定能有适合的水源, 受到当地水文地质条件及水资源管理部门的约束与限制, 虽然可以采用回灌的方法取得足够的水量, 但回灌不好对地下沉降有一定的影响, 而且热泵的热交换器容易受到腐蚀。

 

  ( 3) 直接膨胀式系统

 

  如图9 所示, 该系统直接将铜管埋入地下, 制冷剂直接与土壤或水进行冷热交换, 因此传热效率较高, 而且不需要循环水泵。但是, 制冷剂需要的量比较大, 而且一旦发生泄露, 则很难维修, 同时铜管在地下也容易腐蚀, 目前应用比较少。

 

  ( 4) 混合式系统

 

  混合式系统主要是针对特定的气候地区而设计的。目前常见的混合系统主要有两种形式: 一种是适用于以夏季空调为主的南方气候地区的带有冷却塔补充散热的混合地源热泵系统———冷却塔补偿系统, 一种是适用于冬季采暖为主的北方气候地区的带有太阳能集热器辅助加热的混合系统———太阳能辅助系统; 其系统组成分别如图10 和图11 所示。冷却塔补偿系统适合在以空调为主的南方地区及大型公共及商业建筑中使用, 可减小系统的初投资, 而且可以消除孔域( 埋设地下盘管的地下区域) 地下土壤温度的温升, 从而可提高热泵机组的性能系数, 达到节能的目的。图中的冷却塔根据各地区的具体情况与需要, 可用铺设有换热盘管的浅水池或预埋有换热盘管的路面、桥面及停车场等所替代。太阳能补偿系统可减小北方地区埋地换热器的尺寸, 提高热泵进口流体的温度, 而且集热器与埋地换热器具有互补性, 二者的合理匹配可使系统达到最佳的运行效果。图中的集热器亦可用燃气锅炉等其他辅助加热设备来代替。目前混合式系统的研究在国外比较多, 且已有部分的工程实例投入运行, 但国内研究比较少。

  3.2 地热发电

 

  地热发电起源于1904 年意大利在拉德瑞罗建立的第一座天然蒸汽试验电站, 1913 年正式投入运行[11],此后许多国家都相继建立了地热电站。表1 中给出了1999 年世界主要国家的地热发电装机容量, 从表中可以看出, 地热发电量已大大超过了目前两种最有前途的能源———风力和太阳能的发电量。据国外的经济性分析, 按目前的技术水平和价格, 地热发电价格不会高于水力发电的价格, 因此地热发电在商业上竞争力很强, 在相当长时期内仍以热水型资源为主。

 

  地热发电先把地热能转变为机械能, 然后再转变为电能。根据发电所用的地下蒸汽和地下热水的温度、压力及其所含水与汽品质的不同, 发电的方式也不一样。图12 和图13 中示出了分别适用于热水田和湿蒸汽田的减压扩容蒸汽循环地热发电系统。如图12 所示, 来自地热井的地热水, 首先进入减压扩容器, 扩容器中维持着比热水低的压力, 因而可得到闪蒸蒸汽, 并送往气轮机膨胀做功, 从而可带动发动机输出电能。图13 中, 来自地热井的湿蒸汽先进入汽水分离器, 分离出的蒸汽直接进入气轮机膨胀做功, 而分离出的水则先进入扩容器变成闪蒸汽后, 再送往气轮机做功。减压扩容蒸汽循环是热水田的主要发电方式, 系统比较简单, 运行和维护都较方便, 而且扩压容器结构简单, 造价低; 但当挟带的不凝性气体较多时, 需要容量大的抽气器来维持高真空度, 自身能耗偏大。

 

  4 基于地热能的综合生态建筑能源利用系统

 

  在实际生态建筑能源利用系统的设计中, 建筑需要的能源常常是采用多种形式组合, 根据各地区的气候及地形地貌特征等具体情况来综合考虑, 以选取最适宜的能源形式或者组合, 并采取主动与被动利用形式相结合的应用方式。太阳能作为世界上最丰富、最清洁的能源形式是优先要考虑的, 地热能作为大地中"取之不尽、用之不竭"的无限能源, 也是一种很有发展潜力的能源形式。太阳能和地热能的组合利用系统则可使建筑达到较好的能源利用效果。基于生态建筑能源的特点, 图14 和图15 提出了两种适用于夏热冬冷地区的太阳能与地热能综合能源利用系统: 其中图14 为基于地热能利用的地源热泵技术与被动式太阳能利用综合能源系统, 图15 为太阳能与地热能完全被动式利用综合能源系统。

 

  图14 采用了特朗伯墙、屋顶蒸发式冷却、地板辐射供暖( 冬季) 、顶板辐射冷却( 夏季) 与地源热泵技术。

 

  采用这个系统夏季运行时利用特朗伯墙的诱导动力来使室外新鲜空气通过屋顶进入室内, 并采用屋顶蒸发式冷却系统来预冷空气, 用地源热热泵制取的冷水来作为顶板埋管的冷源, 以达到辐射制冷的目的; 冬季则采用特朗伯墙加热空气与地源热泵低温地板辐射采暖相结合的运行方式。图15 采用了太阳能烟囱与地下管道通风空调技术, 主要是利用太阳能烟囱作为空气流动动力, 用常年恒温的地下通风管道来给室外空气预冷预热, 且采用了置换式通风系统, 属于完全被动式利用形式, 如设计合理亦可达到较好的运行效果。

 

  5 结语

 

  随着可持续发展战略日益深入人心, 生态与可持续性建筑将成为21 世纪建筑业发展的主流。能源作为人类生存和发展最重要的物质基础, 是生态建筑研究中的重要内容, 也是生态建筑从理论走向实践的必经之路。为了人类社会的可持续发展, 必须寻求新的能源发展之路; 节约能源, 大力开发与使用新能源, 并提高能源利用效率已成为世界各国能源发展战略的重点;新型可再生能源替代传统能源在建筑中的应用是生态建筑设计中的一个重要方面。地热能作为新能源的一个重要组成部分, 其开发与利用对实现建筑、环境及社会的可持续发展具有重大的意义。在目前条件下, 各国政府应该制定相应的政策, 大力提倡地热能在建筑中的利用, 探讨其各种利用形式, 进一步开拓新的利用途径, 并研究其与其它可再生能源联合使用的综合生态能源利用系统, 为缓解能源供需矛盾、改善生态环境发挥重要作用。