隨著生活水平的提高, 人們對生活環(huán)境的質(zhì)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(jù)統(tǒng)計, 西方發(fā)達(dá)國家為30%～45%, 其中美國為33.7%, 法國為45%, 而我國已達(dá)到20%～25%, 并逐步上升到30%[1];另一方面現(xiàn)在全球使用的可再生能源( 太陽能、地?zé)崮?/a>及風(fēng)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(yīng)大力提倡生態(tài)建筑能源的概念, 盡可能利用清潔可再生能源, 以實現(xiàn)建筑、能源與環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展。本文擬就地?zé)崮?/a>在生態(tài)建筑中的利用技術(shù)進(jìn)行討論。

 

  1 生態(tài)建筑

 

  1.1 生態(tài)建筑的由來

 

  生態(tài)建筑本質(zhì)上是從生態(tài)學(xué)的角度來考慮建筑設(shè)計,是生態(tài)學(xué)與建筑學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物, 它用生態(tài)學(xué)原理和方法, 以人、建筑、自然和社會協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo), 有節(jié)制地利用和改造自然, 尋求最適合人類生存與發(fā)展的生態(tài)建筑環(huán)境, 將建筑環(huán)境作為一個有機(jī)的、具有結(jié)構(gòu)和功能的整體系統(tǒng)來看待[3]。1869 年, 德國生物學(xué)家赫克爾首次提出了生態(tài)學(xué)的概念; 20 世紀(jì)60 年代, 建筑師保羅·索勒里( Paolo Soleri) 創(chuàng)建了城市生態(tài)學(xué)理論, 把生態(tài)學(xué)和建筑學(xué)合為一體, 即Arcology, 意為生態(tài)建筑學(xué), 并在《生態(tài)建筑學(xué): 人類理想中的城市》中提出了生態(tài)建筑學(xué)的理論。1969 年, 美國著名景觀建筑師麥克哈格所著《結(jié)合自然的設(shè)計》(Design with Nature) 的出版, 標(biāo)志著生態(tài)建筑學(xué)的正式誕生[3]。

 

  1.2 生態(tài)建筑設(shè)計的基本原則與目標(biāo)

 

  生態(tài)建筑的設(shè)計充分考慮建筑物對自然環(huán)境的適應(yīng)和影響以及與自然環(huán)境之間物質(zhì)與能量的交換。設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)以下幾個原則: ① 尊重和保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境, 盡量減少對生物圈的破壞; ② 為使用者創(chuàng)造一個高品質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境; ③ 充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳌?a href="http://xldcn.com/t/地形地貌.html" >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(jié)省資源, 用"最少"滿足"最多"; ⑤ 給建筑未來的發(fā)展留下足夠的空間。目前, 在資源匱乏的今天特別強(qiáng)調(diào)在資源利用方面要體現(xiàn)5R 原則[3], 即Revalue( 再考慮) 、Renew( 更新) 、Reduce( 節(jié)約) 、Reuse( 再利用) 及Recycle( 循環(huán)利用) 。具體從能源的角度上看, 就是要重視建筑節(jié)能技術(shù)和合理地使用能源, 盡可能多地利用諸如太陽能、地熱能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源,減少對傳統(tǒng)礦物能源的依賴, 在保證不破壞生態(tài)系統(tǒng)的前提下, 為人類營造一個良好舒適的生活環(huán)境。生態(tài)建筑設(shè)計的最終目標(biāo)就是要實現(xiàn)資源的有效利用、舒適健康的生存環(huán)境及生態(tài)建筑的可持續(xù)性。

 

  2 地熱能的直接利用

 

  2.1 覆(掩)土建筑

 

  無論什么結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)來自地下空間及土壤的熱工特性( 恒溫恒濕) , 并以節(jié)約用地、節(jié)省能源、美化環(huán)境的特點(diǎn)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(zhì)均勻豐厚的約8m 深的黃土層中, 使室內(nèi)溫度四季適宜, 且在窯洞的屋頂亦可種植莊稼, 滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要, 實屬于生態(tài)建筑的典范。在現(xiàn)代城市建筑設(shè)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(shù)由貝津銘設(shè)計的法國盧浮宮擴(kuò)建建筑[3]。

 

  2.2 地下通風(fēng)空調(diào)

 

  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(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?。因此從理論上講, 用土壤本身即可進(jìn)行采暖空調(diào), 即考慮用地下通風(fēng)管道來對進(jìn)入室內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行加熱與冷卻,以實現(xiàn)自然空調(diào), 從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)地及美化環(huán)境的功效。在法蘭克福商業(yè)銀行辦公樓中,維持整棟大廈內(nèi)空調(diào)環(huán)境幾乎全靠地下通風(fēng)系統(tǒng)來實現(xiàn), 而作為應(yīng)付極端氣候條件的備用中央空調(diào)系統(tǒng)至今未被啟用[5]。

 

  2.3 地下季節(jié)性儲能技術(shù)

 

  由于地下土壤本身具有儲能特性, 而且溫度全年相對穩(wěn)定, 地下空間( 如建筑物底部) 可以用來季節(jié)性儲能。通常的做法是在建筑物的底部設(shè)置一大的水池,并裝滿諸如卵石等熱容量較大的物質(zhì), 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(diào)用。目前歐洲、北美發(fā)展已比較成熟及我國近期發(fā)展比較迅速的地源熱泵技術(shù), 在一定程度上就是利用了這一原理。地下季節(jié)性儲能技術(shù)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(dá)到了最佳效果[2]。

 

  2.4 地?zé)崴?/a>采暖與空調(diào)

 

  ( 1) 地?zé)崴?/a>采暖。地?zé)岵膳?/a>主要是指北方供暖地區(qū)直接利用中低溫地下熱水來為建筑物進(jìn)行采暖。我國的中低溫地?zé)豳Y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?zé)峁┡?/a>面積約達(dá)1000 萬m2, 大多分布在北方地區(qū)。

 

  如天津市地?zé)峁?/a>面積已達(dá)800 萬m2, 而且形成了地?zé)峁┡?/a>小區(qū), 在減少煤炭消耗、保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用[6]。目前, 地?zé)?/a>供暖技術(shù)比較成熟, 地?zé)崴疁囟?/a>從60℃到90℃以上都有很多成功的工程。

  ( 2) 地?zé)?/a>水空調(diào)。由于地下水溫度常年一般比較穩(wěn)定, 分別在冬夏兩季高出和低于對應(yīng)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(jìn)行空調(diào)。目前這一"自然空調(diào)"技術(shù)在我國許多地方及領(lǐng)域已被采用。例如紡織行業(yè), 夏季用深井水作為冷源來對生產(chǎn)車間進(jìn)行降溫去濕; 偌曼.福斯特事務(wù)所設(shè)計的倫敦市政廳及由Mecanoo 設(shè)計的位于荷蘭的戴爾福特技術(shù)大學(xué)圖書館中也都采用了地下水空調(diào), 大大地降低了建筑物的空調(diào)能源消耗[2]。盡管地下水鉆井費(fèi)用比較高, 初投資大, 但其運(yùn)行費(fèi)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(jīng)濟(jì)效益。因此只要合理加以開發(fā)與利用, 就有很好的發(fā)展前景。

 

  2.5 其他

 

  除上述直接利用形式以外, 根據(jù)溫度的不同, 地?zé)?/a>也廣泛用于種植、養(yǎng)殖、溫泉療養(yǎng)及工業(yè)利用等領(lǐng)域。

 

  我國河北省的地?zé)豳Y源豐富, 地?zé)釡厥?/a>比較普遍; 利用地?zé)狃B(yǎng)殖種苗越冬, 養(yǎng)殖品種繁多, 效益顯著。興建溫泉旅游度假村、康復(fù)中心等也已成為低溫地?zé)崂?/a>的熱點(diǎn), 例如青海西寧市郊15 km 的塔爾寺風(fēng)景區(qū), 已利用地?zé)?/a>供5000m2 賓館、10000m2 度假村及游泳池和理療中心等應(yīng)用[6]。

  地?zé)崮?/a>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(diào)的要求( 夏季時太高, 冬季時太低) , 需要對其進(jìn)行提升到一定品位后方可利用的形式, 目前應(yīng)用比較普遍的要數(shù)用熱泵對其進(jìn)行提升的地源熱泵(GSHP) 技術(shù); 另一種采用能量轉(zhuǎn)換的辦法,例如將地熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?a href="http://xldcn.com/t/地?zé)岚l(fā)電技術(shù).html" >地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。

 

  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(tǒng)、熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及室內(nèi)空調(diào)管路系統(tǒng)組成。室外管路系統(tǒng)由埋設(shè)于地下土壤或水中的PVC 盤管構(gòu)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(dāng)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的鍋爐) ; 在夏季作為冷源向土壤或水中放熱( 相當(dāng)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔) , 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。GSHP 因其節(jié)能性及與環(huán)境的友好性而備受世界各國青睞, 是近幾年淺層地?zé)崮?/a>在生態(tài)建筑利用研究中的一個熱點(diǎn)。

  根據(jù)地下?lián)Q熱盤管在地下敷設(shè)形式的不同及是否有輔助冷熱源, GSHP 可分為閉式系統(tǒng)、開式系統(tǒng)、直接膨脹式系統(tǒng)及混合式系統(tǒng)。

 

  ( 1) 閉式系統(tǒng)

 

  閉式系統(tǒng)指的是通過水或防凍液在預(yù)埋地下的塑料管中進(jìn)行循環(huán)流動來傳遞熱量的地下?lián)Q熱系統(tǒng)。根據(jù)埋管在地下的布置形式及位置的不同有水平環(huán)路、垂直環(huán)路、螺旋型環(huán)路、池塘湖泊環(huán)路及樁埋環(huán)路5 種形式。

 

  ① 水平環(huán)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(lián)水平平鋪埋管。采用水平環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是施工方便、造價低; 缺點(diǎn)是換熱器傳熱效果差、受地面溫度波動影響較大、熱泵運(yùn)行不穩(wěn)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(yīng)用比較少。

 

  ② 垂直環(huán)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(huán)路的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小, 深層土壤的全年溫度比較穩(wěn)定、熱泵運(yùn)行穩(wěn)定; 缺點(diǎn)是鉆孔、土建及埋管等費(fèi)用較高( 一般占到系統(tǒng)總投資的50%左右) 。該形式目前應(yīng)用比較多, 是當(dāng)前地下埋管的主流。

 

  ③ 螺旋型環(huán)路( 如圖4 所示) , 結(jié)合了水平與垂直環(huán)路的優(yōu)點(diǎn), 占地面積少、安裝費(fèi)用低; 但其管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管道加工困難, 而且系統(tǒng)運(yùn)行阻力大, 能耗偏高。該系統(tǒng)通常適用于冷量較小的情況, 如果工程設(shè)計恰當(dāng), 將與垂直和水平環(huán)路一樣有效。

 

  ④ 池塘湖泊環(huán)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(tǒng)運(yùn)行良好, 水域大小最好在4000m2 以上, 深度超過4.6 m;管環(huán)根據(jù)用戶需要及具體地形可采用水平、垂直、螺旋及混合環(huán)路等。該系統(tǒng)安裝費(fèi)用不高, 即使水面結(jié)冰,仍能正常工作。

 

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

 

  ( 2) 開式系統(tǒng)

 

  開式系統(tǒng)主要是利用地下或地表水作為冷熱源的熱泵系統(tǒng), 因此又可稱之為"地下水源熱泵", 其形式有單井系統(tǒng)( 圖5, 圖6) 、雙井系統(tǒng)( 圖7) 及地表水系統(tǒng)( 圖8) 之分。開式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計簡單, 換熱效率高, 傳熱性能好, 初投資比閉式小; 缺點(diǎn)是需水量較大,不一定能有適合的水源, 受到當(dāng)?shù)?a href="http://xldcn.com/t/水文地質(zhì).html" >水文地質(zhì)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(tǒng)

 

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

 

  ( 4) 混合式系統(tǒng)

 

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

  3.2 地?zé)岚l(fā)電

 

  地?zé)岚l(fā)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(yùn)行[11],此后許多國家都相繼建立了地?zé)犭娬?/a>。表1 中給出了1999 年世界主要國家的地?zé)?a href="http://xldcn.com/t/發(fā)電.html" >發(fā)電裝機(jī)容量, 從表中可以看出, 地?zé)?a href="http://xldcn.com/t/發(fā)電.html" >發(fā)電量已大大超過了目前兩種最有前途的能源———風(fēng)力和太陽能的發(fā)電量。據(jù)國外的經(jīng)濟(jì)性分析, 按目前的技術(shù)水平和價格, 地?zé)岚l(fā)電價格不會高于水力發(fā)電的價格, 因此地?zé)岚l(fā)電在商業(yè)上競爭力很強(qiáng), 在相當(dāng)長時期內(nèi)仍以熱水型資源為主。

 

  地?zé)岚l(fā)電先把地?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能, 然后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。根?jù)發(fā)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(zhì)的不同, 發(fā)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(kuò)容蒸汽循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。如圖12 所示, 來自地?zé)峋?/a>的地?zé)崴?/a>, 首先進(jìn)入減壓擴(kuò)容器, 擴(kuò)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(jī)膨脹做功, 從而可帶動發(fā)動機(jī)輸出電能。圖13 中, 來自地?zé)峋?/a>的濕蒸汽先進(jìn)入汽水分離器, 分離出的蒸汽直接進(jìn)入氣輪機(jī)膨脹做功, 而分離出的水則先進(jìn)入擴(kuò)容器變成閃蒸汽后, 再送往氣輪機(jī)做功。減壓擴(kuò)容蒸汽循環(huán)是熱水田的主要發(fā)電方式, 系統(tǒng)比較簡單, 運(yùn)行和維護(hù)都較方便, 而且擴(kuò)壓容器結(jié)構(gòu)簡單, 造價低; 但當(dāng)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。

  在實際生態(tài)建筑能源利用系統(tǒng)的設(shè)計中, 建筑需要的能源常常是采用多種形式組合, 根據(jù)各地區(qū)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(jié)合的應(yīng)用方式。太陽能作為世界上最豐富、最清潔的能源形式是優(yōu)先要考慮的, 地?zé)崮茏鳛榇蟮刂?取之不盡、用之不竭"的無限能源, 也是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉葱问健Ｌ柲芎偷責(zé)崮艿慕M合利用系統(tǒng)則可使建筑達(dá)到較好的能源利用效果?；谏鷳B(tài)建筑能源的特點(diǎn), 圖14 和圖15 提出了兩種適用于夏熱冬冷地區(qū)的太陽能與地?zé)崮?a href="http://xldcn.com/t/綜合能源.html" >綜合能源利用系統(tǒng): 其中圖14 為基于地?zé)崮芾?/a>的地源熱泵技術(shù)與被動式太陽能利用綜合能源系統(tǒng), 圖15 為太陽能與地?zé)崮芡耆粍邮嚼?a href="http://xldcn.com/t/綜合能源.html" >綜合能源系統(tǒng)。

 

  圖14 采用了特朗伯墻、屋頂蒸發(fā)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(shù)。

 

  采用這個系統(tǒng)夏季運(yùn)行時利用特朗伯墻的誘導(dǎo)動力來使室外新鮮空氣通過屋頂進(jìn)入室內(nèi), 并采用屋頂蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)來預(yù)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(dá)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(jié)合的運(yùn)行方式。圖15 采用了太陽能煙囪與地下管道通風(fēng)空調(diào)技術(shù), 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(fēng)管道來給室外空氣預(yù)冷預(yù)熱, 且采用了置換式通風(fēng)系統(tǒng), 屬于完全被動式利用形式, 如設(shè)計合理亦可達(dá)到較好的運(yùn)行效果。

 

  5 結(jié)語

 

  隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略日益深入人心, 生態(tài)與可持續(xù)性建筑將成為21 世紀(jì)建筑業(yè)發(fā)展的主流。能源作為人類生存和發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ), 是生態(tài)建筑研究中的重要內(nèi)容, 也是生態(tài)建筑從理論走向?qū)嵺`的必經(jīng)之路。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展, 必須尋求新的能源發(fā)展之路; 節(jié)約能源, 大力開發(fā)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(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn);新型可再生能源替代傳統(tǒng)能源在建筑中的應(yīng)用是生態(tài)建筑設(shè)計中的一個重要方面。地?zé)崮茏鳛?a href="http://xldcn.com/t/新能源.html" >新能源的一個重要組成部分, 其開發(fā)與利用對實現(xiàn)建筑、環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。在目前條件下, 各國政府應(yīng)該制定相應(yīng)的政策, 大力提倡地?zé)崮茉诮ㄖ械睦? 探討其各種利用形式, 進(jìn)一步開拓新的利用途徑, 并研究其與其它可再生能源聯(lián)合使用的綜合生態(tài)能源利用系統(tǒng), 為緩解能源供需矛盾、改善生態(tài)環(huán)境發(fā)揮重要作用。