隨著生活水平的提高, 人們對生活環境的質量要求也越來越高, 隨之帶來的便是建筑能耗急劇上升。目前, 建筑能耗在社會總能耗中占很大比例, 據統計, 西方發達國家為30%～45%, 其中美國為33.7%, 法國為45%, 而我國已達到20%～25%, 并逐步上升到30%[1];另一方面現在全球使用的可再生能源( 太陽能、地熱能及風能等) 只占總能源需求的2%～4%[2]。因此, 在能源如此短缺的今天, 應大力提倡生態建筑能源的概念, 盡可能利用清潔可再生能源, 以實現建筑、能源與環境及社會的可持續發展。本文擬就地熱能在生態建筑中的利用技術進行討論。

 

  1 生態建筑

 

  1.1 生態建筑的由來

 

  生態建筑本質上是從生態學的角度來考慮建筑設計,是生態學與建筑學相結合的產物, 它用生態學原理和方法, 以人、建筑、自然和社會協調發展為目標, 有節制地利用和改造自然, 尋求最適合人類生存與發展的生態建筑環境, 將建筑環境作為一個有機的、具有結構和功能的整體系統來看待[3]。1869 年, 德國生物學家赫克爾首次提出了生態學的概念; 20 世紀60 年代, 建筑師保羅·索勒里( Paolo Soleri) 創建了城市生態學理論, 把生態學和建筑學合為一體, 即Arcology, 意為生態建筑學, 并在《生態建筑學: 人類理想中的城市》中提出了生態建筑學的理論。1969 年, 美國著名景觀建筑師麥克哈格所著《結合自然的設計》(Design with Nature) 的出版, 標志著生態建筑學的正式誕生[3]。

 

  1.2 生態建筑設計的基本原則與目標

 

  生態建筑的設計充分考慮建筑物對自然環境的適應和影響以及與自然環境之間物質與能量的交換。設計應體現以下幾個原則: ① 尊重和保護自然生態環境, 盡量減少對生物圈的破壞; ② 為使用者創造一個高品質的室內環境; ③ 充分結合當地氣候特征、地形地貌特征及資源情況, 使建筑本土化; ④ 充分利用資源, 并節省資源, 用"最少"滿足"最多"; ⑤ 給建筑未來的發展留下足夠的空間。目前, 在資源匱乏的今天特別強調在資源利用方面要體現5R 原則[3], 即Revalue( 再考慮) 、Renew( 更新) 、Reduce( 節約) 、Reuse( 再利用) 及Recycle( 循環利用) 。具體從能源的角度上看, 就是要重視建筑節能技術和合理地使用能源, 盡可能多地利用諸如太陽能、地熱能、風能、生物質能等可再生能源,減少對傳統礦物能源的依賴, 在保證不破壞生態系統的前提下, 為人類營造一個良好舒適的生活環境。生態建筑設計的最終目標就是要實現資源的有效利用、舒適健康的生存環境及生態建筑的可持續性。

 

  2 地熱能的直接利用

 

  2.1 覆(掩)土建筑

 

  無論什么結構形式的建筑, 只要其中有一部分或全部用土覆蓋的均可稱為覆土建筑[4]。覆土建筑的主要優點來自地下空間及土壤的熱工特性( 恒溫恒濕) , 并以節約用地、節省能源、美化環境的特點而被世界許多地方所接受。如我國西北部黃土地帶的窯洞民居, 建造在地勢高、土質均勻豐厚的約8m 深的黃土層中, 使室內溫度四季適宜, 且在窯洞的屋頂亦可種植莊稼, 滿足農業生產的需要, 實屬于生態建筑的典范。在現代城市建筑設計中, 也有許多特殊功能的建筑建于地下, 如市政工程、人防掩蔽所、地鐵、車站、購物中心、倉庫及圖書館等, 其中最為著名的要數由貝津銘設計的法國盧浮宮擴建建筑[3]。

 

  2.2 地下通風空調

 

  已有研究表明: 在地下5m 以下的土壤溫度基本上不隨室外氣溫的改變而變化, 并且約等于當地年平均氣溫。因此從理論上講, 用土壤本身即可進行采暖空調, 即考慮用地下通風管道來對進入室內的新鮮空氣進行加熱與冷卻,以實現自然空調, 從而達到節能、節地及美化環境的功效。在法蘭克福商業銀行辦公樓中,維持整棟大廈內空調環境幾乎全靠地下通風系統來實現, 而作為應付極端氣候條件的備用中央空調系統至今未被啟用[5]。

 

  2.3 地下季節性儲能技術

 

  由于地下土壤本身具有儲能特性, 而且溫度全年相對穩定, 地下空間( 如建筑物底部) 可以用來季節性儲能。通常的做法是在建筑物的底部設置一大的水池,并裝滿諸如卵石等熱容量較大的物質, 這樣夏季即可將富余的熱能( 如太陽能) 儲存于地下以備冬季采暖用, 冬季亦可儲存冷量以備夏季空調用。目前歐洲、北美發展已比較成熟及我國近期發展比較迅速的地源熱泵技術, 在一定程度上就是利用了這一原理。地下季節性儲能技術在德國柏林國會大廈的改建工程中得到了充分的考慮, 使能源利用達到了最佳效果[2]。

 

  2.4 地熱水采暖與空調

 

  ( 1) 地熱水采暖。地熱采暖主要是指北方供暖地區直接利用中低溫地下熱水來為建筑物進行采暖。我國的中低溫地熱資源分布比較廣泛, 水溫一般在50℃～120℃之間, 具有很好的直接利用條件。截至2000 年底, 全國地熱供暖面積約達1000 萬m2, 大多分布在北方地區。

 

  如天津市地熱供熱面積已達800 萬m2, 而且形成了地熱供暖小區, 在減少煤炭消耗、保護環境方面發揮了積極作用[6]。目前, 地熱供暖技術比較成熟, 地熱水溫度從60℃到90℃以上都有很多成功的工程。

 

  ( 2) 地熱水空調。由于地下水溫度常年一般比較穩定, 分別在冬夏兩季高出和低于對應地面空氣溫度, 因此可通過鉆井直接抽取地下水的方法來進行空調。目前這一"自然空調"技術在我國許多地方及領域已被采用。例如紡織行業, 夏季用深井水作為冷源來對生產車間進行降溫去濕; 偌曼.福斯特事務所設計的倫敦市政廳及由Mecanoo 設計的位于荷蘭的戴爾福特技術大學圖書館中也都采用了地下水空調, 大大地降低了建筑物的空調能源消耗[2]。盡管地下水鉆井費用比較高, 初投資大, 但其運行費用低( 幾乎不消耗能源) , 污染小,不僅有很好的社會效益, 用戶也有很好的經濟效益。因此只要合理加以開發與利用, 就有很好的發展前景。

 

  2.5 其他

 

  除上述直接利用形式以外, 根據溫度的不同, 地熱也廣泛用于種植、養殖、溫泉療養及工業利用等領域。

 

  我國河北省的地熱資源豐富, 地熱溫室比較普遍; 利用地熱養殖種苗越冬, 養殖品種繁多, 效益顯著。興建溫泉旅游度假村、康復中心等也已成為低溫地熱利用的熱點, 例如青海西寧市郊15 km 的塔爾寺風景區, 已利用地熱供5000m2 賓館、10000m2 度假村及游泳池和理療中心等應用[6]。

 

  3 地熱能的間接利用

 

  地熱能的間接利用主要包括兩種情況: 一種是指地下能源的品位較低, 直接利用時其溫度范圍不足以滿足建筑物采暖空調的要求( 夏季時太高, 冬季時太低) , 需要對其進行提升到一定品位后方可利用的形式, 目前應用比較普遍的要數用熱泵對其進行提升的地源熱泵(GSHP) 技術; 另一種采用能量轉換的辦法,例如將地熱能轉變為電能的地熱發電技術。

 

  3.1 地源熱泵

 

  地源熱泵(GSHP) 是利用地下土壤或水中的能量作為熱泵低位熱源, 主要由室外管路系統、熱泵工質循環系統及室內空調管路系統組成。室外管路系統由埋設于地下土壤或水中的PVC 盤管構成, 其中盤管作為換熱器, 冬季作為熱源從土壤或水中取熱( 相當于常規空調系統的鍋爐) ; 在夏季作為冷源向土壤或水中放熱( 相當于常規空調系統中的冷卻塔) , 結構示意圖如圖1 所示。GSHP 因其節能性及與環境的友好性而備受世界各國青睞, 是近幾年淺層地熱能在生態建筑利用研究中的一個熱點。

 

  根據地下換熱盤管在地下敷設形式的不同及是否有輔助冷熱源, GSHP 可分為閉式系統、開式系統、直接膨脹式系統及混合式系統。

 

  ( 1) 閉式系統

 

  閉式系統指的是通過水或防凍液在預埋地下的塑料管中進行循環流動來傳遞熱量的地下換熱系統。根據埋管在地下的布置形式及位置的不同有水平環路、垂直環路、螺旋型環路、池塘湖泊環路及樁埋環路5 種形式。

 

  ① 水平環路( 如圖2 所示) , 適合于有足夠空閑場地的地方, 其埋管深度通常在1.2～3.0m, 常采用單層或多層串、并聯水平平鋪埋管。采用水平環路的優點是施工方便、造價低; 缺點是換熱器傳熱效果差、受地面溫度波動影響較大、熱泵運行不穩定, 同時占地面積也較大( 一般為采暖面積的2 倍左右) , 目前應用比較少。

 

  ② 垂直環路( 如圖3 所示) , 適合于10～100 m 埋深的垂直單U 型或多U 型埋管及套管。采用垂直環路的優點是占地面積小, 深層土壤的全年溫度比較穩定、熱泵運行穩定; 缺點是鉆孔、土建及埋管等費用較高( 一般占到系統總投資的50%左右) 。該形式目前應用比較多, 是當前地下埋管的主流。

 

  ③ 螺旋型環路( 如圖4 所示) , 結合了水平與垂直環路的優點, 占地面積少、安裝費用低; 但其管道系統結構復雜、管道加工困難, 而且系統運行阻力大, 能耗偏高。該系統通常適用于冷量較小的情況, 如果工程設計恰當, 將與垂直和水平環路一樣有效。

 

  ④ 池塘湖泊環路, 用地表水作為熱泵冷( 熱) 源,適用于附近有江河湖泊等水域的地方。為使系統運行良好, 水域大小最好在4000m2 以上, 深度超過4.6 m;管環根據用戶需要及具體地形可采用水平、垂直、螺旋及混合環路等。該系統安裝費用不高, 即使水面結冰,仍能正常工作。

 

  ⑤ 樁埋環路, 是指利用建筑地樁或在混凝土構件中充滿液體的管路系統的取( 放) 熱來進行采暖與空調。奧地利在20 世紀80 年代末期就開始將該技術用于建筑物的供暖與降溫。在土地匱乏的當今, 該技術日益受到重視, 有著很廣闊的利用前景。

 

  ( 2) 開式系統

 

  開式系統主要是利用地下或地表水作為冷熱源的熱泵系統, 因此又可稱之為"地下水源熱泵", 其形式有單井系統( 圖5, 圖6) 、雙井系統( 圖7) 及地表水系統( 圖8) 之分。開式系統的優點是設計簡單, 換熱效率高, 傳熱性能好, 初投資比閉式小; 缺點是需水量較大,不一定能有適合的水源, 受到當地水文地質條件及水資源管理部門的約束與限制, 雖然可以采用回灌的方法取得足夠的水量, 但回灌不好對地下沉降有一定的影響, 而且熱泵的熱交換器容易受到腐蝕。

 

  ( 3) 直接膨脹式系統

 

  如圖9 所示, 該系統直接將銅管埋入地下, 制冷劑直接與土壤或水進行冷熱交換, 因此傳熱效率較高, 而且不需要循環水泵。但是, 制冷劑需要的量比較大, 而且一旦發生泄露, 則很難維修, 同時銅管在地下也容易腐蝕, 目前應用比較少。

 

  ( 4) 混合式系統

 

  混合式系統主要是針對特定的氣候地區而設計的。目前常見的混合系統主要有兩種形式: 一種是適用于以夏季空調為主的南方氣候地區的帶有冷卻塔補充散熱的混合地源熱泵系統———冷卻塔補償系統, 一種是適用于冬季采暖為主的北方氣候地區的帶有太陽能集熱器輔助加熱的混合系統———太陽能輔助系統; 其系統組成分別如圖10 和圖11 所示。冷卻塔補償系統適合在以空調為主的南方地區及大型公共及商業建筑中使用, 可減小系統的初投資, 而且可以消除孔域( 埋設地下盤管的地下區域) 地下土壤溫度的溫升, 從而可提高熱泵機組的性能系數, 達到節能的目的。圖中的冷卻塔根據各地區的具體情況與需要, 可用鋪設有換熱盤管的淺水池或預埋有換熱盤管的路面、橋面及停車場等所替代。太陽能補償系統可減小北方地區埋地換熱器的尺寸, 提高熱泵進口流體的溫度, 而且集熱器與埋地換熱器具有互補性, 二者的合理匹配可使系統達到最佳的運行效果。圖中的集熱器亦可用燃氣鍋爐等其他輔助加熱設備來代替。目前混合式系統的研究在國外比較多, 且已有部分的工程實例投入運行, 但國內研究比較少。

  3.2 地熱發電

 

  地熱發電起源于1904 年意大利在拉德瑞羅建立的第一座天然蒸汽試驗電站, 1913 年正式投入運行[11],此后許多國家都相繼建立了地熱電站。表1 中給出了1999 年世界主要國家的地熱發電裝機容量, 從表中可以看出, 地熱發電量已大大超過了目前兩種最有前途的能源———風力和太陽能的發電量。據國外的經濟性分析, 按目前的技術水平和價格, 地熱發電價格不會高于水力發電的價格, 因此地熱發電在商業上競爭力很強, 在相當長時期內仍以熱水型資源為主。

 

  地熱發電先把地熱能轉變為機械能, 然后再轉變為電能。根據發電所用的地下蒸汽和地下熱水的溫度、壓力及其所含水與汽品質的不同, 發電的方式也不一樣。圖12 和圖13 中示出了分別適用于熱水田和濕蒸汽田的減壓擴容蒸汽循環地熱發電系統。如圖12 所示, 來自地熱井的地熱水, 首先進入減壓擴容器, 擴容器中維持著比熱水低的壓力, 因而可得到閃蒸蒸汽, 并送往氣輪機膨脹做功, 從而可帶動發動機輸出電能。圖13 中, 來自地熱井的濕蒸汽先進入汽水分離器, 分離出的蒸汽直接進入氣輪機膨脹做功, 而分離出的水則先進入擴容器變成閃蒸汽后, 再送往氣輪機做功。減壓擴容蒸汽循環是熱水田的主要發電方式, 系統比較簡單, 運行和維護都較方便, 而且擴壓容器結構簡單, 造價低; 但當挾帶的不凝性氣體較多時, 需要容量大的抽氣器來維持高真空度, 自身能耗偏大。

 

  4 基于地熱能的綜合生態建筑能源利用系統

 

  在實際生態建筑能源利用系統的設計中, 建筑需要的能源常常是采用多種形式組合, 根據各地區的氣候及地形地貌特征等具體情況來綜合考慮, 以選取最適宜的能源形式或者組合, 并采取主動與被動利用形式相結合的應用方式。太陽能作為世界上最豐富、最清潔的能源形式是優先要考慮的, 地熱能作為大地中"取之不盡、用之不竭"的無限能源, 也是一種很有發展潛力的能源形式。太陽能和地熱能的組合利用系統則可使建筑達到較好的能源利用效果。基于生態建筑能源的特點, 圖14 和圖15 提出了兩種適用于夏熱冬冷地區的太陽能與地熱能綜合能源利用系統: 其中圖14 為基于地熱能利用的地源熱泵技術與被動式太陽能利用綜合能源系統, 圖15 為太陽能與地熱能完全被動式利用綜合能源系統。

 

  圖14 采用了特朗伯墻、屋頂蒸發式冷卻、地板輻射供暖( 冬季) 、頂板輻射冷卻( 夏季) 與地源熱泵技術。

 

  采用這個系統夏季運行時利用特朗伯墻的誘導動力來使室外新鮮空氣通過屋頂進入室內, 并采用屋頂蒸發式冷卻系統來預冷空氣, 用地源熱熱泵制取的冷水來作為頂板埋管的冷源, 以達到輻射制冷的目的; 冬季則采用特朗伯墻加熱空氣與地源熱泵低溫地板輻射采暖相結合的運行方式。圖15 采用了太陽能煙囪與地下管道通風空調技術, 主要是利用太陽能煙囪作為空氣流動動力, 用常年恒溫的地下通風管道來給室外空氣預冷預熱, 且采用了置換式通風系統, 屬于完全被動式利用形式, 如設計合理亦可達到較好的運行效果。

 

  5 結語

 

  隨著可持續發展戰略日益深入人心, 生態與可持續性建筑將成為21 世紀建筑業發展的主流。能源作為人類生存和發展最重要的物質基礎, 是生態建筑研究中的重要內容, 也是生態建筑從理論走向實踐的必經之路。為了人類社會的可持續發展, 必須尋求新的能源發展之路; 節約能源, 大力開發與使用新能源, 并提高能源利用效率已成為世界各國能源發展戰略的重點;新型可再生能源替代傳統能源在建筑中的應用是生態建筑設計中的一個重要方面。地熱能作為新能源的一個重要組成部分, 其開發與利用對實現建筑、環境及社會的可持續發展具有重大的意義。在目前條件下, 各國政府應該制定相應的政策, 大力提倡地熱能在建筑中的利用, 探討其各種利用形式, 進一步開拓新的利用途徑, 并研究其與其它可再生能源聯合使用的綜合生態能源利用系統, 為緩解能源供需矛盾、改善生態環境發揮重要作用。