浅层地热交换系统在近零能耗建筑中的应用与研究

冯彦胜 甘肃第三建设集团有限公司工程师

韦春瑞 甘肃第三建设集团有限公司高级工程师

张新德 甘肃第三建设集团有限公司高级工程师

张 伟 甘肃第三建设集团有限公司工程师

浅层地热交换系统埋在浅层地下，通过水或空气与周围土壤进行热量交换。由于其具有长期耐用性、高效率以及环境友好等优点，在近零能耗建筑采暖和制冷系统中越来越受欢迎。该系统制热和制冷效果良好，是由于地下一定深度以下的土壤温度稳定，与室外空气相比，夏季较低，冬季较高。再加上土壤的热惯性大，温度变化延迟较大，几乎可以忽略太阳辐射增强和气温波动的影响。

1 浅层地热交换系统的传热介质

1.1 基于水传热介质的浅层地热交换系统

基于水传热介质的浅层地热交换系统是指埋在地下的高密度塑料管，水、防冻液或它们的混合物通过高密度塑料管与土壤交换热量。这一类地热交换系统可以水平，也可以垂直安装。垂直式地热交换系统又称井眼热交换系统，相比水平式地热交换系统更加节能，而且占地面积更小。但由于钻孔费用的增加，投资成本要更高一些。

1.2 气传热介质的浅层地热交换系统

基于空气传热介质的浅层地热交换系统广泛应用于需要制冷和加热的节能建筑，其基本原理如图1 所示。这一类基于空气传热介质的地热交换系统也称为土壤—空气热交换系统或地下空气隧道系统。在以空气为传热介质的浅层地热交换系统中，空气通过地下埋管循环进行加热或制冷，然后送至建筑物进行取暖或制冷，气流可以采用自然风或者靠风扇驱动[1]。空气传热介质的浅层地热交换系统虽然传热效率低于水传热介质的浅层地热交换系统，但具有较高的经济效益。

图1 基于空气传热介质的浅层地热交换系统工作原理

2 浅层地热交换系统在近零能耗建筑中的被动应用与研究

浅层地热交换系统主要包括被动应用和主动应用两种应用方式，被动应用是指通过浅层地热交换系统直接将储存在土壤中的能量来给近零能耗建筑进行加热和冷却，不需要任何热泵或者冷却器，而主动应用则需要使用热泵和冷却器。地表6 m以下的土壤温度基本全年保持不变，所以储存在地下的冷能或热能可以直接用于制冷和制热，也就是人们常说的被动应用。浅层地热交换系统也可以与机械加热和冷却系统结合使用，称为主动应用[2]。

2.1 通风系统中的地热交换系统

通风系统和水传热介质结合使用，通过水—空气热交换系统来对室外的空气进行加热或制冷。本文以甘肃省兰州新区中建大厦1 号办公楼为例，通风系统的实测性能系数（Coefficient Of Performance，COP）在夏季可达21，冬季可达13.8。基于空气传热介质的地热交换系统可以直接用于制冷或加热空气，而不需要中间热交换器系统，这是因为低于某一深度(即地下6 m)的土壤温度是稳定的，通常在夏季比室外空气温度低，在冬季比室外空气温度高。因此，室外空气可以在夏天被冷却，在冬天被加热，然后输送到近零能耗建筑物，从而实现建筑物内的加热或制冷功能。一般情况下，冷却或加热的空气可以满足部分或全部冷却与加热需求。

2.2 与建筑围护结构相结合的浅层地热交换系统

浅层地热交换系统还可以与建筑围护结构(地板、天花板和墙壁)相结合，从而减少建筑围护结构的热增益或热损失。这些建筑围护结构被称为热激活建筑系统，通常它们的结构要么是在内部埋设管道，要么由空心预制建筑构件构成，如空心混凝土板。这种建筑结构的特点是传热面积大，传热介质与室内空气或内墙面温差小，可以促进冷却和加热技术的应用[3]。

本文以兰州新区中建大厦一近零能耗建筑大楼为例，该大楼的建筑围护结构中，外墙采用新型建筑保温材料，屋面、外墙、非采暖房间与采暖房间隔墙以及非采暖房间与采暖房间楼板的热工参数如表1 所示。该建筑的外窗选用奥润顺达高性能门窗，整窗采用铝包木130 系列内开内倒窗，配进口五金，玻璃采用金晶原片5low-e+16Ar+5+16Ar+5low-e全钢化玻璃，low-e膜为2、5面，空气层16 mm填充氩气，玻璃间隔条采用超柔性暖边条，可见光透射比为0.73，太阳能得热系数为0.49，整窗传热系数为K ≤0.8 W/（m2·℃）。130系列外平开铝木复合被动门的传热系数为0.9 W/（m2·℃），气密性为8 级，水密性为5 级，抗风压性为9 级，建筑南向设置可调节内遮阳。

表1 围护结构传热系数

浅层地热交换系统与建筑围护结构(地板、天花板和墙壁)相结合的一种典型结构为埋管围护，通过将冷却或加热的水从热交换系统循环到埋管墙，可以很大程度上减少建筑物的冷却和加热负荷。冬夏季通过提高或降低内表面的壁温，提高室内热舒适性，同时可以大大降低冷却和加热系统的能耗。但是不同的季节中，该结构对能耗的降低程度也大大不同，通常温和地区节能最高可达45%，而在炎热的夏季和寒冷的冬季地区，节能可达到11%～36%，具体取决于地热交换系统中热交换器的数量和功率。

3 浅层地热交换系统在近零能耗建筑中的主动应用与研究

浅层地热交换系统在近零能耗建筑主动应用中的一个典型系统为地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）系统。该系统会在冬天从相对温暖的地面吸收热量，并将其释放到建筑物中进行加热。在夏天则将与上述过程相反，即从建筑物中吸收热量并将其释放到地下。考虑到地下土壤的温度全年都处在一个稳定的状态，因此GSHP 系统更适用于既有供暖需求又有制冷需求的低能耗建筑。与传统的建筑供暖和制冷系统相比，GSHP 系统具有低能耗和高效率等优点。为了更好地提高GSHP系统的性能，下文重点研究和介绍水传热介质的GSHP 系统以及以空气为传热介质的空气源加热和冷却系统。

3.1 基于水传热介质的GSHP系统

基于水传热介质的GSHP 系统在近些年来得到了广泛应用，不少学者都对其能量性能进行了研究。研究发现，对水传热介质GSHP 系统性能影响比较重要的参数有U 形管半径、钻孔半径、热负荷、水泥浆电导率、进水温度、U 形管之间的距离以及U 形管热导率。其中水泥浆电导率可以通过采用热增强灌浆材料来提高，从而可以在一定程度上提高GSHP 系统的性能[4]。

3.2 基于空气传热介质的空气源热泵系统

空气源热泵、冷水机组以及空调的性能在很大程度上受室外空气温度等环境条件的影响。当天气极其寒冷或极其炎热时，这些系统很难获得较高的效率。通过结合空气源热泵以及空调系统，构成基于空气传热介质的热交换器系统，可以实现较高的效率。通过提高（降低）冬季（夏季）的空气温度，可以提高加热（冷却）系统的效率。这种系统的安装成本相比于GSHP系统而言更低，在小型近零能耗建筑中很受欢迎。

为了更好地降低空气源热泵所消耗的能量，某近零能耗建筑采用低温空气源热泵的额定制热量为142 kW，额定制热功率为39.4 kW，水压降为40 kPa。考虑热泵和循环水泵的耗电功率，空气源热泵制热系统COP 为2.15。当供水温度低于45 ℃时，空气源热泵机组启动，空气源热泵供水温度高于55 ℃时，空气源热泵机组关闭。

4 结语

我国建筑行业在不断进步与发展，节能建筑在人们生活中也越来越重要。本文重点研究和分析近零能耗建筑中的浅层地热交换系统。首先介绍了两种浅层地热交换系统中的传热介质，随后重点介绍浅层地热交换系统在近零能耗建筑中的被动应用以及主动应用。可以发现，浅层地热交换系统的被动应用耗能就更小，具有更好的节能效果，但是浅层地热交换系统的主动应用效率更高，可以更好地实现低能耗建筑中的加热制冷功能。