摘要：地热能作为一种清洁能源，具有储量大、分布范围广、稳定性好的特点，优势显著，其大规模的开发利用是趋势。在认识到地热能优点的同时，也要客观的结合我国地热资源特点和工程实际条件，探索多种类型地热能的合理应用，使其在建筑环境改善中发挥积极作用。
关键词：地热能；建筑；环境
1地热地质资源概述
地球内藏高温，由内到外可分为地核、地幔、地壳三部分，目前世界上最深钻井深度为12262m，未穿破地壳层，人类对地热的研究将长期处于地壳层。地球热能来源于地球形成至今地球物质势能的转变、放射性元素的衰变、地月系统中潮汐能的转化热、硫化矿物与地下水的反应热，按地球内部放射性生热元素（U、Th、40k）的丰度、半衰期估算，地球热能还能再延续近50亿年。此外地球热能的构成还有太阳能，太阳能转化而来的地球热能包括太阳能的直接辐射和由太阳能转化而来的动植物尸体发生化学反应产生的热，在地球形成的46亿年间，这部分能量对地球热能的贡献也是不容忽视的。
2地热能在建筑环境中的应用
2.1浅层地热能
浅层地热能是地表以下200m埋深以内，温度低于25℃的地热资源，分布广、易开采，能实现供暖制冷。地源热泵是目前有效利用浅层地热能的最佳工程系统，地源热泵取用浅层地热能需要采用地下换热系统，可分为三种，一是地埋管换热系统（也叫土壤源）；二是地下水换热系统；三是地表水换热系统。地埋管换热系统就是先在地下钻一个钻孔，在孔中下入单根（或双根）底端相连的U型管，管的上端通过水平集管与热泵机组相连接。不抽取地下水，只需传热介质（主要是水或乙二醇）在密闭的U型地埋管中循环，利用传热介质与地下岩土层、地下水之间的温差进行热交换，进而通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷。已有浅层地热能技术被用于现代化建筑中，如浅层地热能与地下结构的协同利用技术，主要应用在桩埋换热器中，此项技术在日本札幌城市大学建筑、南京朗诗国际街区等建筑中都有应用。浅层地热能技术的应用为建筑物供给相当一部分的清洁能源，根据中国地质调查局的研究资料显示，我国每年可以开采利用的浅层地热能资源，折合约为7亿吨标准煤。
我国浅层地热能潜力巨大，可开发利用适宜性广泛，应根据具体位置确定地热资源的适宜性。在建筑全年冬夏负荷基本相同，即R值约为1时，寒冷区的办公建筑和居住建筑，采用地源热泵系统作为建筑冷热源，与市政供热加电制冷或分体空调方式相比具有良好的经济性，适宜采用地源热泵系统单独作为建筑冷热源。当建筑全年动态冷负荷与热负荷差异较大，即R值偏离1过大或过小时，不适合单独采用地埋管地源热泵系统，需考虑采用复合系统。
2.2水热型地热能
水热型地热能以蒸汽和液态水为主要载体的地热能源，具有绿环保、清洁稳定、分布广泛的优势。水热型地热能是对地下深层蒸汽与液态水热能的直接利用，采用的技术也相对简单、经济，提高了水热型地热能开发利用的普遍性。
水热型地热能资源的开发利用方式分为两种，一种是通过设备直接抽取位于地下的热水，即“取水”；另一种利用深井换热技术，又可以细分为同轴管换热、深井热交换器换热和对接井换热等技术，即“不取水只取热”。两种技术的应用可在相对较低的成本消耗下，为建筑直接提供生活供水或供暖供冷，例如在某小区内的两口地热深井，地热井平均深度约为2800
m，每个地热井在一个采暖季的平均换热功率高达725kW，为该小区的建筑供暖提供一定的能源支持。地源热泵换热
为了保护地下水资源，近年来出台了一系列针对地下水资源地保护政策，强调“既要抽取也要回灌”的地下水资源利用方针，但回灌也不是100%的，鉴于不同的热储形式，回灌效率不同。对于水热型地热能资源开采利用“不取水只取热”的方式，换热效率低于“取水”的方式，发展同轴管换热、深井热交换器换热等能够提高换热效率技术具有重要意义。
2.3干热岩型地热能
干热岩是指一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体（致密不透水）的高温岩体。随着干热岩开发利用技术的进步，干热岩资源温度的定义在逐渐模糊。干热岩型地热能的供热原理类似于中深层地埋管地热能利用技术，通过介质在同轴套管中流动与地下干热岩体换热，不抽取地下水。
U型地埋管换热技术是干热型地热开采的主要技术方法，换热介质（一般是水）在地下封闭循环，通过人为制造换热介质与周边岩土的温差，实现热交换。冬季供暖，换热介质温
度低于埋管外岩土温度，从地下取热；夏季制冷，换热介质温度高于埋管外岩土温度，向地下释热。
U型地埋管能提取到的地热能品位不高，没有达到直接为建筑供暖（制冷）的品位，热泵技术将低品位地热能转换为高品位热（冷）能，为建筑提供“无燃烧”供暖（制冷），这就是目前广泛应用的地埋管地源热泵技术。其优点是取热不取水，环境影响小、零排放、可就地取材，普适性好。缺点是受PE管承压限制，埋管深度浅（小于120m)、单井换热效率低（约3-6kw），工程埋管数量多，占地面积大，制约了地热能的推广利用。
3地热能高效换热技术
地热能高效换热技术包括高效能源井设计、施工工艺、关键技术装置、能源井测试与计算、地下水热平衡、井相互干扰以及热泵机组、室内末端等方面。
地热能高效换热技术核心是高效能源井的设计，基于热传导基本定律，主要从以下方面提高能源井换热效率，包括：（1）提高换热井管壁的导热系数；（2）增大换热管外壁与岩土的接触面积；（3）通过调整换热井的埋管深度，调节井外岩土平均温度，增大换热介质与岩土的温差。
地热能高效换热井按如下方法建造，在钻孔中安装导热系数高的钢管，作为孔壁支护管，同时也是换热管，钢管的底部和管壁完全密封，在钢管内安装导流循环管，钢管的顶部做好密封，仅保留进出口。换热介质由侧孔进入，自上而下，在井底进入导流循环管，再自下而上，从顶部导流循环管中流出，实现井内循环。
综合考虑工程状况、地质条件、气候条件和经济性，可灵活设计高效能源井的结构、管径和深度，融合其他技术，可调节高效换热系统的取热量和释热量，保持地下热平衡。
地热能高效换热技术先后在多地建设示范工程10多项，面积约百万平方米，部分项目使用年限已超过10年。例如，北京大兴采育中心医院改造项目：建筑面积约12000m2，热负荷1200kw，冷负荷980kw。改造前项目已采用地原热泵供暖（制冷），在大楼地基下布置地埋管换热器180个，但由于地下换热系统出现泄漏，多次维修仍无法正常使用。采用地热能高效换热技术，仅用28口高效能源井（300m），在长50m的道路两边布井，就满足了大楼的热（冷）源需求。项目已稳定运行6年。
4结语
地热能分布广泛，无处不在，取之不尽，用之不竭，是继太阳能、风能后，最具开发潜力的清洁可再生能源。地热能作为一种绿环保、可再生的能源，在建筑节能方面具有应用潜力。随着技术的不断发展更新，在一些环境友好城市已经实现对各种类型和方式的地热能的开发与利用，达到保护环境、提高人们生活水平的效果。对地热资源的合理开发利用已受到各界的重视，未来，地热能还将为建筑环境做出更大的贡献。
参考文献
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