探讨高层建筑地热式供热与通风的相关问题

赵剑

吕梁市供热集团有限责任公司 山西 吕梁 033000

高层建筑作为现代城市的标志性建筑，其供热与通风问题日益受到工程师和建筑师的关注。传统的供热方式往往难以满足高层建筑的特殊需求，同时也存在能效低、环境污染和运行成本高等问题。地热供热，作为一种清洁、可再生的供热方式，为高层建筑提供了一种新的解决方案。

1 地热供热系统技术原理

地热供热系统技术利用地下的热能为建筑提供所需的热量，逐渐成为现代城市供热的主流选择。相比传统的供热方式，它具有更高的能效、更低的运行成本以及更加环保的特点。

1.1 地热能资源的形成与分布

地球内部蕴藏着丰富的热能，这种热能主要来源于地球的放射性元素衰减所产生的热量以及地球初形成时的残存热量。这些热量通过地壳不断地向地表传递，形成了所称之为的地热资源。地热资源的分布并不均匀，它受到许多地质、气候和水文因素的影响。在板块构造活跃、火山活动频繁的地区，地热资源特别丰富。此外，某些地下水富集区和断裂带也可能拥有较为丰富的地热资源。了解地热资源的分布对于合理、有效地利用地热供热系统至关重要[1]。

1.2 地热热泵的工作原理与分类

地热热泵是地热供热系统中的核心设备，它的主要功能是从地下提取热能并提升其温度以满足供热的需求。其工作原理基于热力学的第二定律，通过制冷剂在蒸发和冷凝过程中吸收和释放热量，从而达到提升热能温度的目的。根据地热热泵的工作模式和热源类型，可以将其分类为水源地热热泵、空气源地热热泵以及地面源地热热泵等。不同类型的地热热泵在安装、操作和维护上都有其特点和优劣，选择合适的类型对于确保系统的高效运行和长寿命至关重要。

2 地热能的提取与利用中存在的问题

2.1 地下水资源的影响

地热开发对地下水资源产生的影响是多方面的。一方面，大量抽取地下热水可能导致地下水位显著下降，从而影响到其他的用水需求，如农业灌溉、居民供水等。另一方面，随着水位的降低，有可能导致地表沉降，对建筑物和基础设施产生潜在威胁。更为严重的是，随着地热液的开采，可能引起温度和化学成分的变化，进而改变原有的地下水流动路径，增加地下水被污染物污染的风险。

2.2 地热液中的化学物质问题

地热液体是一种复杂的混合液体，其中含有各种矿物质、盐分和气体。尤其是在高温和高压的条件下，这些化学物质可能导致腐蚀问题，对地热开采设备和管道产生损伤[2]。如氢硫化氢是一种常见的有害气体，它不仅会对金属产生腐蚀，而且其刺激性的气味对人体健康也有潜在威胁。此外，地热液中的盐分和矿物质沉积可能导致管道堵塞，影响系统的正常运行。

2.3 地热能提取引发的地震风险

地热开发中的某些操作，尤其是增强地热系统（EGS）的应用，涉及高压液体对岩石进行压裂以增强其渗透性。这种压裂过程可能引发地震活动。尽管这些地震通常是小规模的，但在密集居住或重要基础设施附近，即使是小规模地震也可能带来不可忽视的风险。此外，持续的地热开采可能改变地下应力分布，影响地震活动。

2.4 地热能的经济性问题

地热能作为一种可再生能源，其运行成本相对较低，对环境的影响也小。然而，其开发初期需要大量的投资，涉及地热资源的勘查、钻探和设备的安装。这些前期高额投资使得许多潜在的开发者望而却步。此外，地热能的经济效益受到能源市场价格的影响，当其他能源价格下降时，地热能的竞争力可能会受到挑战。

3 高层建筑地热供热系统设计

3.1 供热需求量的估算方法

3.1.1 单位面积供热量法

该方法是基于建筑的总使用面积与每平方米的预估供热需求来进行的计算。

Q=A×q其中：

Q：总供热需求量，单位为W

A：建筑的总面积，单位为m2

q：单位面积的供热需求量，通常是基于当地的气候条件、建筑的保温性能以及建筑的用途来决定的。单位为W/m2。

例如，如果一个高层建筑的总面积是10,000m2，并且该地区的单位面积供热需求量为100W/m2，则总供热需求量为：

3.1.2 空间供热负荷法

考虑到高层建筑内部的不同空间会有不同的供热需求（例如，走廊和办公室），此方法将根据各个空间的特性进行估算。根据建筑的功能划分空间类别，并为每一类空间设定一个单位面积的供热需求量qi。

其中

Qi：该类空间的供热需求量，单位为W

Ai：该类空间的面积，单位为m2

qi：该类空间的单位面积供热需求量，单位为W/m2

对于整个建筑，总供热需求量为：

其中，n代表空间类别的数量。

例如，考虑一个建筑有办公室（5000 m2，需求量为120 W/m2）和走廊（2000 m2，需求量为80 W/m2）。

Qoffice=5000×120=600,000W

Qcorridor=2000×80=160,000W

所以，总供热需求量为：

Qtotal=600,000+160,000=760,000W 或 760 kW

通过上述方法，可以为高层建筑的地热供热系统设计提供准确的供热需求数据。

3.2 地热源选择与配置

在高层建筑的地热供热系统设计中，选择合适的地热源至关重要，它是确保系统稳定运行和高效性的基石。地热资源的深度和温度是决定性因素，因为不同的深度和温度区间通常需要不同的热泵技术和设备。例如，浅层地热资源（通常在200m以下）可能适用于较低温度的热泵，而深层地热资源则可能需要能够处理更高温度的热泵。地下水流动性也是一个重要的考虑因素。在地下水流动性较高的地区，可能需要特别设计的井口结构以减少热量损失，并确保有效的热交换。此外，流动性高的地下水可以提供更好的热交换效率，但同时也可能导致地热井的寿命降低。然后，土壤和岩石类型也对地热源的选择和配置产生影响。例如，某些土壤和岩石，如砂岩和石灰岩，具有良好的导热性能，这使得热交换更为高效。而粘土或含有大量有机物的土壤可能导热性较差，从而影响整体的热交换效率。

3.3 供热系统的布局与设计要点

供热系统的布局和设计对于高层建筑的供热效率和舒适度至关重要。

3.3.1 供热管道的设计

供热管道是地热供热系统中的关键组件之一。正确的管道设计不仅可以确保系统的热力学平衡，还可以显著降低能量损失，从而提高系统的整体效率。

为了确保供热管道的热力学平衡，需要确保热流体的流速、压力和温度都在设计范围内。流速太快可能导致泵的过度磨损，而流速太慢可能不足以提供足够的热量。公式表示为：

其中:

Q是热功率 (W)

m是流体的质量流量 (kg/s)

c是流体的比热容 (J/kg·K)

ΔT是流体的温度变化 (K)

同时，管道直径的选择是确保足够的流量和最小的摩擦损失的关键。对于确定的流量，管道的直径可以使用Darcy-Weisbach方程来估算：

其中:

ΔP 是压力损失 (Pa)

f 是摩擦因子

L 是管道长度 (m)

D 是管道直径 (m)

ρ 是流体的密度 (kg/m3)

v 是流体的平均流速 (m/s)

然后，供热管道的材料选择也非常关键。不同的材料具有不同的导热系数 (k)，并且会影响热损失。公式表示为：

其中:

q 是单位面积的热流 (W/m2)

k 是材料的导热系数 (W/m·K)

d 是管道壁的厚度 (m)

总之，供热管道设计的核心在于如何实现热力学平衡、优化流动性能并考虑材料的导热性，以实现高效和经济的供热。首先，热力学平衡确保了流体在管道中的温度、压力和流速达到恰当的匹配，从而避免了能量的过度损失或不稳定的流动[3]。其次，流动性能，特别是流速和管道直径的选择，影响摩擦损失和泵的效率。选择适当的流速不仅可以减少能量损失，还可以防止沉积物在管道中积累。最后，材料的导热性是关键。选择具有低热传导性能的管道材料可以减少供热系统的热损失，而管道壁的适当厚度则可以进一步提高热绝缘性。综上所述，细致的管道设计是实现经济、高效供热的关键。

3.3.2 热交换器的选择和配置

热交换器是地热供热系统中的核心设备，其作用是从地热能源中提取热量并传递给建筑供热系统。为确保其与地热热泵的完美匹配并获得最佳的热交换效率，选择适当的热交换器至关重要。热交换器的设计需要综合考虑多个关键参数。热交换器的设计容量是基于系统的最大热负荷 和最小热负荷 。

其中，α是一个考虑系数，通常在0.6到0.9之间，取决于系统的特定需求和设计冗余度。为了最大化热交换效率，流体在热交换器中的流速 V和进出热交换器的温度差ΔT 需要优化。

其中，η是热交换效率，m是流体的质量流量，Cp是流体的比热容。

确保适当的流量和温差不仅有助于提高热交换效率，还可以延长热交换器的使用寿命，因为避免了过高的温度和压力导致的设备疲劳。

3.3.3 热控策略

随着楼宇自动化技术的迅速发展，现代供热系统已经不再仅仅是传统的热供应方式，而是变得越来越依赖于先进的热控策略，以确保室内温度的舒适性并最大化整体能效。这些系统利用先进的传感器技术进行实时的温度监测和反馈，确保各个区域能够获得精确的供热量。同时，通过利用现代数据分析和预测技术，楼宇自动化系统可以根据历史数据、天气预报和建筑的使用模式预测未来的供热需求，从而提前进行供热参数的调整[4]。

4 地热供热与高层建筑通风系统的集成

地热供热与高层建筑通风系统的集成为建筑提供了一个更为高效、节能的环境控制解决方案。这种集成不仅可以实现室内温度的优化调控，还能够确保室内空气质量和舒适度。随着现代建筑对于能源效率和室内舒适度的不断追求，地热供热系统与建筑通风系统的集成已经成为一种趋势。这种集成首先考虑的是如何将地热能源有效地转化为建筑内部的热量，并且在确保温度均匀分布的同时，维持良好的室内空气质量。

4.1 系统的互补性

地热供热与通风系统的结合是两大系统互补性的完美体现。首先，地热供热系统从地下稳定的温度中获取热能，为建筑提供持续、稳定的供热，减少对外部气候条件的依赖。这种稳定性意味着建筑的供热不会因为外部温度的变化而受到太大的影响。与此同时，通风系统则负责引入新鲜空气，排放污染空气，确保室内空气质量达标。

4.2 智能控制的重要性

随着科技的发展，楼宇自动化和智能控制系统已经成为现代建筑的标配。这些系统可以实时地监测室内的各种参数，如温度、湿度、CO2浓度等，并根据预设的标准进行自动调整。具体到地热供热与通风系统的结合，智能控制起到了至关重要的作用。例如，当监测到室内CO2浓度超标时，通风系统会自动增加新风量，确保室内空气质量；同时，地热供热系统会检测到通风带来的温度变化，自动增加或减少供热量以维持室内温度的稳定。此外，智能控制系统还可以根据建筑的实际使用情况，如人流量、活动强度等，进行动态调整，进一步提高系统的效率和节能效果。

5 结语

地热供热与高层建筑通风系统的集成是现代建筑设计的一个明智选择，它体现了科技与自然、创新与可持续性的完美结合。随着全球对可再生能源和绿色建筑的日益重视，这种集成方式为提供了一种有效、经济、环保的解决方案。它不仅带来了长期的经济效益，更为创造了一个舒适、健康、环境友好的生活空间。在不远的将来，随着技术的进步和普及，地热供热与高层建筑通风系统的集成将在全球范围内得到更广泛的应用，为城市和家园带来更多的绿色、温暖和希望。