趙劍

呂梁市供熱集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 呂梁 033000

高層建筑作為現(xiàn)代城市的標(biāo)志性建筑，其供熱與通風(fēng)問題日益受到工程師和建筑師的關(guān)注。傳統(tǒng)的供熱方式往往難以滿足高層建筑的特殊需求，同時(shí)也存在能效低、環(huán)境污染和運(yùn)行成本高等問題。地?zé)峁幔鳛橐环N清潔、可再生的供熱方式，為高層建筑提供了一種新的解決方案。

1 地?zé)峁嵯到y(tǒng)技術(shù)原理

地?zé)峁嵯到y(tǒng)技術(shù)利用地下的熱能為建筑提供所需的熱量，逐漸成為現(xiàn)代城市供熱的主流選擇。相比傳統(tǒng)的供熱方式，它具有更高的能效、更低的運(yùn)行成本以及更加環(huán)保的特點(diǎn)。

1.1 地?zé)崮苜Y源的形成與分布

地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著豐富的熱能，這種熱能主要來源于地球的放射性元素衰減所產(chǎn)生的熱量以及地球初形成時(shí)的殘存熱量。這些熱量通過地殼不斷地向地表傳遞，形成了所稱之為的地?zé)豳Y源。地?zé)豳Y源的分布并不均勻，它受到許多地質(zhì)、氣候和水文因素的影響。在板塊構(gòu)造活躍、火山活動(dòng)頻繁的地區(qū)，地?zé)豳Y源特別豐富。此外，某些地下水富集區(qū)和斷裂帶也可能擁有較為豐富的地?zé)豳Y源。了解地?zé)豳Y源的分布對于合理、有效地利用地?zé)峁嵯到y(tǒng)至關(guān)重要[1]。

1.2 地?zé)釤岜玫墓ぷ髟砼c分類

地?zé)釤岜檬堑責(zé)峁嵯到y(tǒng)中的核心設(shè)備，它的主要功能是從地下提取熱能并提升其溫度以滿足供熱的需求。其工作原理基于熱力學(xué)的第二定律，通過制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中吸收和釋放熱量，從而達(dá)到提升熱能溫度的目的。根據(jù)地?zé)釤岜玫墓ぷ髂Ｊ胶蜔嵩搭愋?，可以將其分類為水源地?zé)釤岜谩⒖諝庠吹責(zé)釤岜靡约暗孛嬖吹責(zé)釤岜玫?。不同類型的地?zé)釤岜迷诎惭b、操作和維護(hù)上都有其特點(diǎn)和優(yōu)劣，選擇合適的類型對于確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行和長壽命至關(guān)重要。

2 地?zé)崮艿奶崛∨c利用中存在的問題

2.1 地下水資源的影響

地?zé)衢_發(fā)對地下水資源產(chǎn)生的影響是多方面的。一方面，大量抽取地下熱水可能導(dǎo)致地下水位顯著下降，從而影響到其他的用水需求，如農(nóng)業(yè)灌溉、居民供水等。另一方面，隨著水位的降低，有可能導(dǎo)致地表沉降，對建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生潛在威脅。更為嚴(yán)重的是，隨著地?zé)嵋旱拈_采，可能引起溫度和化學(xué)成分的變化，進(jìn)而改變原有的地下水流動(dòng)路徑，增加地下水被污染物污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 地?zé)嵋褐械幕瘜W(xué)物質(zhì)問題

地?zé)嵋后w是一種復(fù)雜的混合液體，其中含有各種礦物質(zhì)、鹽分和氣體。尤其是在高溫和高壓的條件下，這些化學(xué)物質(zhì)可能導(dǎo)致腐蝕問題，對地?zé)衢_采設(shè)備和管道產(chǎn)生損傷[2]。如氫硫化氫是一種常見的有害氣體，它不僅會(huì)對金屬產(chǎn)生腐蝕，而且其刺激性的氣味對人體健康也有潛在威脅。此外，地?zé)嵋褐械柠}分和礦物質(zhì)沉積可能導(dǎo)致管道堵塞，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.3 地?zé)崮芴崛∫l(fā)的地震風(fēng)險(xiǎn)

地?zé)衢_發(fā)中的某些操作，尤其是增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）的應(yīng)用，涉及高壓液體對巖石進(jìn)行壓裂以增強(qiáng)其滲透性。這種壓裂過程可能引發(fā)地震活動(dòng)。盡管這些地震通常是小規(guī)模的，但在密集居住或重要基礎(chǔ)設(shè)施附近，即使是小規(guī)模地震也可能帶來不可忽視的風(fēng)險(xiǎn)。此外，持續(xù)的地?zé)衢_采可能改變地下應(yīng)力分布，影響地震活動(dòng)。

2.4 地?zé)崮艿慕?jīng)濟(jì)性問題

地?zé)崮茏鳛橐环N可再生能源，其運(yùn)行成本相對較低，對環(huán)境的影響也小。然而，其開發(fā)初期需要大量的投資，涉及地?zé)豳Y源的勘查、鉆探和設(shè)備的安裝。這些前期高額投資使得許多潛在的開發(fā)者望而卻步。此外，地?zé)崮艿慕?jīng)濟(jì)效益受到能源市場價(jià)格的影響，當(dāng)其他能源價(jià)格下降時(shí)，地?zé)崮艿母偁幜赡軙?huì)受到挑戰(zhàn)。

3 高層建筑地?zé)峁嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 供熱需求量的估算方法

3.1.1 單位面積供熱量法

該方法是基于建筑的總使用面積與每平方米的預(yù)估供熱需求來進(jìn)行的計(jì)算。

Q=A×q其中：

Q：總供熱需求量，單位為W

A：建筑的總面積，單位為m2

q：單位面積的供熱需求量，通常是基于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、建筑的保溫性能以及建筑的用途來決定的。單位為W/m2。

例如，如果一個(gè)高層建筑的總面積是10,000m2，并且該地區(qū)的單位面積供熱需求量為100W/m2，則總供熱需求量為：

3.1.2 空間供熱負(fù)荷法

考慮到高層建筑內(nèi)部的不同空間會(huì)有不同的供熱需求（例如，走廊和辦公室），此方法將根據(jù)各個(gè)空間的特性進(jìn)行估算。根據(jù)建筑的功能劃分空間類別，并為每一類空間設(shè)定一個(gè)單位面積的供熱需求量qi。

其中

Qi：該類空間的供熱需求量，單位為W

Ai：該類空間的面積，單位為m2

qi：該類空間的單位面積供熱需求量，單位為W/m2

對于整個(gè)建筑，總供熱需求量為：

其中，n代表空間類別的數(shù)量。

例如，考慮一個(gè)建筑有辦公室（5000 m2，需求量為120 W/m2）和走廊（2000 m2，需求量為80 W/m2）。

Qoffice=5000×120=600,000W

Qcorridor=2000×80=160,000W

所以，總供熱需求量為：

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

通過上述方法，可以為高層建筑的地?zé)峁嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的供熱需求數(shù)據(jù)。

3.2 地?zé)嵩催x擇與配置

在高層建筑的地?zé)峁嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇合適的地?zé)嵩粗陵P(guān)重要，它是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和高效性的基石。地?zé)豳Y源的深度和溫度是決定性因素，因?yàn)椴煌纳疃群蜏囟葏^(qū)間通常需要不同的熱泵技術(shù)和設(shè)備。例如，淺層地?zé)豳Y源（通常在200m以下）可能適用于較低溫度的熱泵，而深層地?zé)豳Y源則可能需要能夠處理更高溫度的熱泵。地下水流動(dòng)性也是一個(gè)重要的考慮因素。在地下水流動(dòng)性較高的地區(qū)，可能需要特別設(shè)計(jì)的井口結(jié)構(gòu)以減少熱量損失，并確保有效的熱交換。此外，流動(dòng)性高的地下水可以提供更好的熱交換效率，但同時(shí)也可能導(dǎo)致地?zé)峋膲勖档?。然后，土壤和巖石類型也對地?zé)嵩吹倪x擇和配置產(chǎn)生影響。例如，某些土壤和巖石，如砂巖和石灰?guī)r，具有良好的導(dǎo)熱性能，這使得熱交換更為高效。而粘土或含有大量有機(jī)物的土壤可能導(dǎo)熱性較差，從而影響整體的熱交換效率。

3.3 供熱系統(tǒng)的布局與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

供熱系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)對于高層建筑的供熱效率和舒適度至關(guān)重要。

3.3.1 供熱管道的設(shè)計(jì)

供熱管道是地?zé)峁嵯到y(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一。正確的管道設(shè)計(jì)不僅可以確保系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡，還可以顯著降低能量損失，從而提高系統(tǒng)的整體效率。

為了確保供熱管道的熱力學(xué)平衡，需要確保熱流體的流速、壓力和溫度都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。流速太快可能導(dǎo)致泵的過度磨損，而流速太慢可能不足以提供足夠的熱量。公式表示為：

其中:

Q是熱功率 (W)

m是流體的質(zhì)量流量 (kg/s)

c是流體的比熱容 (J/kg·K)

ΔT是流體的溫度變化 (K)

同時(shí)，管道直徑的選擇是確保足夠的流量和最小的摩擦損失的關(guān)鍵。對于確定的流量，管道的直徑可以使用Darcy-Weisbach方程來估算：

其中:

ΔP 是壓力損失 (Pa)

f 是摩擦因子

L 是管道長度 (m)

D 是管道直徑 (m)

ρ 是流體的密度 (kg/m3)

v 是流體的平均流速 (m/s)

然后，供熱管道的材料選擇也非常關(guān)鍵。不同的材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù) (k)，并且會(huì)影響熱損失。公式表示為：

其中:

q 是單位面積的熱流 (W/m2)

k 是材料的導(dǎo)熱系數(shù) (W/m·K)

d 是管道壁的厚度 (m)

總之，供熱管道設(shè)計(jì)的核心在于如何實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)平衡、優(yōu)化流動(dòng)性能并考慮材料的導(dǎo)熱性，以實(shí)現(xiàn)高效和經(jīng)濟(jì)的供熱。首先，熱力學(xué)平衡確保了流體在管道中的溫度、壓力和流速達(dá)到恰當(dāng)?shù)钠ヅ?，從而避免了能量的過度損失或不穩(wěn)定的流動(dòng)[3]。其次，流動(dòng)性能，特別是流速和管道直徑的選擇，影響摩擦損失和泵的效率。選擇適當(dāng)?shù)牧魉俨粌H可以減少能量損失，還可以防止沉積物在管道中積累。最后，材料的導(dǎo)熱性是關(guān)鍵。選擇具有低熱傳導(dǎo)性能的管道材料可以減少供熱系統(tǒng)的熱損失，而管道壁的適當(dāng)厚度則可以進(jìn)一步提高熱絕緣性。綜上所述，細(xì)致的管道設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效供熱的關(guān)鍵。

3.3.2 熱交換器的選擇和配置

熱交換器是地?zé)峁嵯到y(tǒng)中的核心設(shè)備，其作用是從地?zé)崮茉粗刑崛崃坎鬟f給建筑供熱系統(tǒng)。為確保其與地?zé)釤岜玫耐昝榔ヅ洳@得最佳的熱交換效率，選擇適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器至關(guān)重要。熱交換器的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。熱交換器的設(shè)計(jì)容量是基于系統(tǒng)的最大熱負(fù)荷 和最小熱負(fù)荷 。

其中，α是一個(gè)考慮系數(shù)，通常在0.6到0.9之間，取決于系統(tǒng)的特定需求和設(shè)計(jì)冗余度。為了最大化熱交換效率，流體在熱交換器中的流速 V和進(jìn)出熱交換器的溫度差ΔT 需要優(yōu)化。

其中，η是熱交換效率，m是流體的質(zhì)量流量，Cp是流體的比熱容。

確保適當(dāng)?shù)牧髁亢蜏夭畈粌H有助于提高熱交換效率，還可以延長熱交換器的使用壽命，因?yàn)楸苊饬诉^高的溫度和壓力導(dǎo)致的設(shè)備疲勞。

3.3.3 熱控策略

隨著樓宇自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代供熱系統(tǒng)已經(jīng)不再僅僅是傳統(tǒng)的熱供應(yīng)方式，而是變得越來越依賴于先進(jìn)的熱控策略，以確保室內(nèi)溫度的舒適性并最大化整體能效。這些系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測和反饋，確保各個(gè)區(qū)域能夠獲得精確的供熱量。同時(shí)，通過利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析和預(yù)測技術(shù)，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報(bào)和建筑的使用模式預(yù)測未來的供熱需求，從而提前進(jìn)行供熱參數(shù)的調(diào)整[4]。

4 地?zé)峁崤c高層建筑通風(fēng)系統(tǒng)的集成

地?zé)峁崤c高層建筑通風(fēng)系統(tǒng)的集成為建筑提供了一個(gè)更為高效、節(jié)能的環(huán)境控制解決方案。這種集成不僅可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的優(yōu)化調(diào)控，還能夠確保室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度。隨著現(xiàn)代建筑對于能源效率和室內(nèi)舒適度的不斷追求，地?zé)峁嵯到y(tǒng)與建筑通風(fēng)系統(tǒng)的集成已經(jīng)成為一種趨勢。這種集成首先考慮的是如何將地?zé)崮茉从行У剞D(zhuǎn)化為建筑內(nèi)部的熱量，并且在確保溫度均勻分布的同時(shí)，維持良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4.1 系統(tǒng)的互補(bǔ)性

地?zé)峁崤c通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)合是兩大系統(tǒng)互補(bǔ)性的完美體現(xiàn)。首先，地?zé)峁嵯到y(tǒng)從地下穩(wěn)定的溫度中獲取熱能，為建筑提供持續(xù)、穩(wěn)定的供熱，減少對外部氣候條件的依賴。這種穩(wěn)定性意味著建筑的供熱不會(huì)因?yàn)橥獠繙囟鹊淖兓艿教蟮挠绊?。與此同時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)引入新鮮空氣，排放污染空氣，確保室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4.2 智能控制的重要性

隨著科技的發(fā)展，樓宇自動(dòng)化和智能控制系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的標(biāo)配。這些系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測室內(nèi)的各種參數(shù)，如溫度、濕度、CO2濃度等，并根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。具體到地?zé)峁崤c通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)合，智能控制起到了至關(guān)重要的作用。例如，當(dāng)監(jiān)測到室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加新風(fēng)量，確保室內(nèi)空氣質(zhì)量；同時(shí)，地?zé)峁嵯到y(tǒng)會(huì)檢測到通風(fēng)帶來的溫度變化，自動(dòng)增加或減少供熱量以維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。此外，智能控制系統(tǒng)還可以根據(jù)建筑的實(shí)際使用情況，如人流量、活動(dòng)強(qiáng)度等，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果。

5 結(jié)語

地?zé)峁崤c高層建筑通風(fēng)系統(tǒng)的集成是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)明智選擇，它體現(xiàn)了科技與自然、創(chuàng)新與可持續(xù)性的完美結(jié)合。隨著全球?qū)稍偕茉春途G色建筑的日益重視，這種集成方式為提供了一種有效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的解決方案。它不僅帶來了長期的經(jīng)濟(jì)效益，更為創(chuàng)造了一個(gè)舒適、健康、環(huán)境友好的生活空間。在不遠(yuǎn)的將來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和普及，地?zé)峁崤c高層建筑通風(fēng)系統(tǒng)的集成將在全球范圍內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用，為城市和家園帶來更多的綠色、溫暖和希望。