地热能在建筑节能中的应用研究

范兴龙 袁久旺 姬铭泽

随着全球能源危机的日益严峻，建筑节能成为一个重要的研究领域。在建筑节能中，地热能作为一种可再生、清洁的能源逐渐引起了广泛的关注。地热能利用系统由地热采暖系统、地热制冷系统和地热热水系统组成，通过利用地下的地热能源满足建筑的供热、供冷和供热水等需求[1]。地热能在建筑节能中具有重要的应用价值，可提高建筑能源效率，降低运行成本，增加室内的舒适度。为实现地热能在建筑节能中的最大化效益，需合理设计地热系统，综合利用地热能源。

1 地热能利用系统的组成和工作原理

1.1 地热能利用系统的组成

地热能利用系统主要由地热能采集装置、热交换装置、传输系统和能量利用设备4 个主要部分组成[2]:第1，地热能采集装置是整个系统的核心部分，它负责将地下的热能采集出来。常见的地热能采集装置包括地热水井、地热泵以及地热换热器等。第2，热交换装置是将采集的地热能与需要供热或供冷的介质进行热交换的设备，常用的热交换装置包括换热器和蓄热装置等。第3，传输系统主要是将热能输送至需要利用的地方，通常采用管道输送。传输系统除了管道外，还包括泵站、阀门和配电设备等。第4，能量利用设备是将地热能转化为需要的热能或冷能的设备，常见的能量利用设备有暖气片、空调机组、热水器以及地面辐射系统等[3]。通过上述装置和设备的合理配置和运作，可以高效地利用地下的地热能资源。

1.2 地热能利用系统的工作原理

在系统运行过程中，地热能采集装置首先获取地下的热能，然后通过热交换装置与介质进行热交换。当利用地下热能供热时，地热能被传送至需要供暖的场所。在热交换装置中，地热能被传递给供热介质，使其升温。热传导过程中，介质的温度逐渐升高，从而达到供暖的目的。反之，当利用地下热能供冷时，地热能通过热交换装置降低介质的温度，也实现空调制冷的效果。

传输系统负责将地热能输送至需要利用的地方，通常使用专门的管道输送地热能。通过泵站、阀门和配电设备等对地热能进行调控和分配，使其顺利传输至相应的能量利用设备。能量利用设备是地热能利用系统中的最终环节，负责将地热能转化为需要的热能或冷能。根据具体需求，能量利用设备可以是供暖设备，也可以是空调设备。

2 地热能在建筑节能中的应用价值

2.1 提高建筑能源效率

地热能在建筑节能中具有重要的应用价值。通过地热能的利用，能够减少建筑对传统能源的依赖，实现能源效率的提高[4]。地热能作为一种可再生能源，不受季节和气候影响，可以稳定供应热能或冷能，从而降低建筑的能源消耗。通过地热能采集装置提取地下的热能，再利用热交换装置传递给建筑物，有效提高了建筑的能源利用效率，减少了能源浪费。

2.2 提升环保可持续性

地热能是一种清洁能源，不产生排放物和燃烧产物，减少了污染物和温室气体的排放。利用地热能对水资源需求较小。因此，地热能在建筑节能中的应用可以提升建筑的环保可持续性，减少对环境的影响，促进可持续发展[5]。

2.3 降低建筑运行成本

地热能在建筑节能中的应用还能带来经济效益。尽管地热能系统的初期投资较高，但由于其长期的稳定供应和较低的运行成本，可以有效降低建筑的运行成本。地热能的利用减少了对传统能源的消耗，节约了能源采购费用。除此之外，地热能系统的维护成本相对较低，因为地热能采集装置具有较长的使用寿命，在使用过程中很少出现机械故障。因此，地热能的应用可以有效降低建筑的运行成本，提高经济效益。

2.4 增加室内的舒适度

地热能在建筑节能中的应用还可以提高室内的舒适度。地热能系统可以根据室内温度需求进行智能调控，提供稳定、舒适的室内热环境。通过地热能的供热和供冷，建筑物可以实现冬暖夏凉的效果，消除了传统暖气和空调的不适感，减少了室内温度的波动。此外，地热能系统还可以降低室内空气的干燥程度和噪音污染，提供更加舒适的居住环境[6]。因此，地热能的应用可以增加建筑室内的舒适度，提高人们的生活质量。

3 地热能在建筑节能中的技术应用

3.1 地热采暖系统

地热采暖系统是一种利用地下地热能源进行建筑供暖的方法。该系统通过地热能源提供稳定的供热能力，能够显著减少建筑的能源消耗，实现节能和环保。地热采暖系统主要由地热能采集装置、热交换装置和供热设备组成。

地热能采集装置通过地热水井或地热泵等方式采集地下的热能，在热交换装置中，地热能与供热介质进行热交换，使介质升温。这些热能被传送至建筑内的供热设备，如暖气片或地面辐射系统，通过辐射、对流或传导等方式向室内释放热能，实现室内的暖气效果。

通过地热采暖系统，建筑可以实现高效的供暖，同时减少能源消耗和碳排放。这种系统具有稳定的供暖能力，保证了建筑内部的舒适温度，同时还能实现节能和环保的目标。

3.2 地热制冷系统

地热制冷系统是一种利用地下地热能源进行建筑制冷的方法。该系统通过地热能源提供制冷能力，实现建筑的舒适制冷和节能效果。地热制冷系统主要由地热能采集装置、热交换装置和制冷设备组成。地热能采集装置采集地下的冷能后，通过热交换装置与制冷介质进行热交换，使介质降温。然后，冷能通过传输系统输送至建筑内的制冷设备，如空调机组，将室内的热能吸收，实现室内制冷效果，为建筑提供舒适的室内环境。

通过地热制冷系统，建筑可以实现高效的制冷，同时减少能源消耗和碳排放。该系统不需要额外的化石燃料，利用地下地热能源进行制冷，具有较低的运行成本和环境影响。

3.3 地热热水系统

地热热水系统是一种利用地下地热能源供应热水的方法。该系统通过地热能源提供稳定的热水，实现建筑的热水供应和节能效果。地热热水系统主要由地热能采集装置、热交换装置和热水设备组成。地热能采集装置通过地热水井或地热泵等方式采集地下的热能，经过热交换装置与水进行热交换，使水温升高。这些热能被传送至建筑内的热水设备，如热水器或供暖设备，为建筑提供所需的热水。

地热热水系统具有的优势：第1，地热能是一种可再生能源，不会耗尽。第2，地热能的供应稳定可靠，不受季节和气候影响，能够持续为建筑提供热水。第3，地热热水系统不会产生燃烧产物和二氧化碳等污染物，对环境的影响更小。

通过地热热水系统，可以实现建筑的持续热水供应，减少能源消耗和碳排放。地热能源稳定可靠，利用地下地热能源进行热水供应，具有节能和环保的特点。

3.4 地热井

地热井是地热能利用系统中的一个重要组成部分，也是地热能采集装置的一种形式。本文研究以牛庄镇牛热5 井为例，介绍地热井的应用。牛庄镇位于山东省东营市，拥有丰富的地热资源。牛热5 井是该地区的一个典型地热井项目。该井利用钻井技术将管道钻入地下深处，以便获取地下热能。井内通过循环介质（如冷水）与地下的热能进行热交换，将热能传递到地热能利用系统中。

地热井通常需要达到一定的深度，以获取地下更稳定和高温的热能。地层温度的高低会影响地热井的热能获取效果，因此在选择地热井的位置时，需要进行地质勘察和评估。

牛热5 井作为地热井项目的典型案例，成功利用地下热能为当地提供可持续、清洁的能源供应。该项目为建筑节能提供了可靠的地热资源，降低了能源消耗和环境污染。

4 地热能在建筑节能中的应用策略

4.1 合理设计地热系统

通过科学规划和设计，可以最大限度地利用地热能源，提高能源利用效率，减少能源消耗，实现可持续发展。在设计地热系统时，需要考虑以下3 个方面：

1）根据建筑的能耗需求和地热能的潜力，选择合适的地热系统类型。地热系统可以分为水地热系统和地源热泵系统两种。对于具备地下水资源的建筑，可选择水地热系统，通过水井或水埋管进行热交换；对于缺乏地下水资源的建筑，可以选择地源热泵系统，通过地下埋管进行热交换。

2）根据建筑的实际情况确定地热系统的布局和容量。地热系统的布局应尽可能减少传输损失，避免热能浪费。首先，获取建筑物的地质资料，确定地热系统埋管的深度和长度，合理安排管道的走向，充分利用地热能源。其次，要根据建筑的能耗需求和热负荷计算结果，合理确定地热系统的容量，从而实现能源的高效利用。

3）要考虑地热系统与建筑其他系统的协同设计。地热系统与供暖、采暖、空调等系统的协同工作，可以提高能源利用效率，降低能源消耗。例如，可将地热系统与空调系统集成，利用地热能源进行制冷或降温，从而减少对传统能源的依赖。此外，还可以与太阳能系统相结合，通过地热能源和太阳能源的互补利用，进一步提高能源效益。

4.2 综合利用地热能源

综合利用地热能源可以最大限度地发挥地热能的优势，提高能源利用效率，减少能源消耗，实现可持续发展。在综合利用地热能源方面，可以采取以下3 个措施：

1）可以将地热能源应用于建筑的供暖和采暖系统中。地热能源作为1种清洁、稳定的能源来源，可以通过地下埋管或井水来进行热交换，为建筑提供稳定的供热和采暖服务。这种方式不仅能够大幅度降低能源消耗，还可以有效减少空气污染和温室气体排放，改善室内空气质量，提高居住舒适度。

2）可以利用地热能源进行制冷。利用地热能源进行制冷可以通过地下冷凝和地下水蒸发冷却等方式实现。这样不仅可以降低空调和制冷系统的能耗，还能有效减少对化石燃料的依赖，减少温室气体排放量，达到节能减排的目的。

3）地热能源可以用于建筑的热水供应。利用地热能源进行热水供应可以提供稳定的热水供应，并能够减少能源消耗和碳排放。合理利用地热能源为建筑提供热水，能够显著降低能源开支，实现环境效益和经济效益的双重收益。

4.3 加强建筑节能运行监测

通过建筑节能运行监测，可以对建筑的能耗进行实时监测和分析，及时发现和解决能源浪费问题，提高能源利用效率。以下是建筑节能运行监测应关注的3 个方面：

1）建筑节能运行监测需要安装合适的监测设备来实时采集建筑的能耗数据。这些监测设备包括智能电表、温度传感器、湿度传感器等，通过监测建筑各个系统的能耗数据，可以全面了解建筑的能源使用情况。

2）建筑节能运行监测需要建立能耗数据的记录和分析系统。通过记录和分析能耗数据，可以深入分析建筑的能耗特征，找出能源浪费的原因，为能源管理提供科学依据。

3）建筑节能运行监测还需要制定合理的能源指标和标准。根据建筑的类型和用途，制定相应的能源消耗限制和目标，监测建筑的能耗指标与标准的符合程度，及时发现异常情况并采取相应的措施。

4.4 建筑节能运行维护

建筑节能运行维护是保持建筑节能效果的关键环节，通过建筑节能运行维护，可以确保建筑节能设备和系统的正常运行，保持良好的节能效果，延长设备的使用寿命，降低运行成本，建筑节能运行维护应关注的3 个方面具体为：

1）建筑节能运行维护需要建立完善的维护管理制度。制订详细的维护计划和流程，明确维护工作的内容、责任人和维护周期。例如，制订空调设备的定期清洁计划，规定换热器和管道的检查周期等。同时，建立设备维护记录，及时记录设备运行情况和维护措施，方便追踪和分析设备运行状态。

2）建筑节能运行维护，需要定期检查和清洁建筑的节能设备和系统。第1，定期检查设备运行状态，包括检查设备的外观、工作参数和传感器的准确性。第2，定期清洁设备的过滤器、排水管道等部件，确保设备的正常通风和排水。除此之外，检查和清洁过程中还应采取相关安全措施，避免对设备造成损害。

3）建筑节能运行维护还需要进行设备的调试和优化。根据设备的实际运行情况，通过调整和优化参数来提高设备的工作效率，从而减少能源的消耗。例如，调试空调系统、优化温度和湿度控制策略以及实现节能与舒适的平衡。

5 结语

地热能作为一种可再生、清洁的能源，在建筑节能中具有广阔的应用前景。通过合理设计地热系统、综合利用地热能源，可以实现建筑节能的最大化效益。同时，建筑节能运行监测和维护也是实现地热能在建筑节能中应用的重要策略。通过对地热能在建筑节能中的应用研究，可以有效提高建筑能源效率，降低环境污染，为可持续发展做出贡献。未来，还需要进一步加强研究，完善技术应用和政策支持，以推动地热能在建筑节能中的广泛应用。