隨著能源和環(huán)境危機的肆虐，地源熱泵 (GSHP) 系統(tǒng)等可持續(xù)解決方案受到青睞。GSHP 系統(tǒng)利用地表以下的穩(wěn)定地熱能為建筑物提供供暖和制冷。因此，它們是傳統(tǒng)供暖、通風和空調(diào)或 HVAC 系統(tǒng)的環(huán)保替代品。具體而言，在建設智能城市時，使用能源樁(支撐建筑物并作為 GSHP 系統(tǒng)的一部分的結(jié)構(gòu))并分析土壤熱動力學對于可持續(xù)城市發(fā)展至關(guān)重要。
雖然大多數(shù)研究都關(guān)注溫帶氣候下 GSHP 系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟方面，但很少有研究涵蓋東南亞等熱帶地區(qū)。這一點很重要，因為東南亞的軟海洋粘土與溫帶土壤有很大不同，這可能會影響 GSHP 系統(tǒng)的效率。高溫和城市熱島效應也是熱帶地區(qū)的重大挑戰(zhàn)。
在此背景下，由日本芝浦工業(yè)大學工程學院 Shinya Inazumi 教授領(lǐng)導的科學家團隊研究了如何優(yōu)化 GSHP 系統(tǒng)以實現(xiàn)熱帶地區(qū)的可持續(xù)城市發(fā)展。他們特別關(guān)注了土壤熱導率和密度對東南亞系統(tǒng)性能的影響。他們的研究結(jié)果于 2024 年 6 月 12 日發(fā)表在《智慧城市》雜志上。
Inazumi 教授解釋說：“有幾個關(guān)鍵因素和環(huán)境問題促使我們進行這項研究。這些因素包括由于快速城市化而導致的能源需求增加、對化石燃料的嚴重依賴、城市熱島效應以及對可持續(xù)城市發(fā)展的日益增長的推動力。因此，我們研究了如何將 GSHP 系統(tǒng)與能源樁相結(jié)合以有效應對這些挑戰(zhàn)，以促進環(huán)境效益并滿足城市能源需求。”
為此，研究人員開發(fā)了一個一維有限差分模型來預測不同距離和時間段內(nèi)能量樁周圍的土壤溫度。其輸入?yún)?shù)包括材料和土壤的物理和熱特性。相關(guān)數(shù)據(jù)來自對東南亞地源熱泵系統(tǒng)的廣泛研究，以及可靠的教科書和設計手冊。值得注意的是，土壤熱導率和土壤密度是分析的關(guān)鍵參數(shù)，以了解它們對能量樁周圍土壤溫度的影響。
研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管土壤熱導率發(fā)生變化，但能源堆周圍的溫度分布在一個月、三個月和一年內(nèi)保持穩(wěn)定。系統(tǒng)熱行為對這些變化的適應性表明，盡管土壤熱導率略有變化，但 GSHP 系統(tǒng)仍可靈活設計。
“隨著土壤密度從 1400 kg/m 3 增加到 1800 kg/m 3 ，土壤溫度下降。具體來說，隨著土壤密度的每次增加，在特定時期(分別為三個月、六個月和一年)內(nèi)溫度分別下降 0.02 ? C、0.01 ? C 和 0.0025 ? C。因此，土壤密度和土壤溫度之間的比例關(guān)系表明，度土壤可提高熱導率，進而提高系統(tǒng)性能，”Inazumi 教授闡述道。
此外，土壤密度每增加10%，距能源樁0.3m處的平均溫度會降低0.007℃，0.6m處會降低0.003℃，1.0m處會降低0.0009℃，但這說明度土壤對土壤溫度的影響隨著距能源樁距離的增加而減小。
總體而言，這些結(jié)果表明，使用穩(wěn)定的地面溫度，地源熱泵系統(tǒng)(特別是與能源樁集成時)可以有效地加熱和冷卻城市環(huán)境。這種集成減少了城市居民對傳統(tǒng)供暖和制冷系統(tǒng)的依賴，大大減少了電力消耗和溫室氣體排放。它還提供了一種緩解人口密集地區(qū)的城市孤島效應的方法。因此，如果城市基礎(chǔ)設施與地源熱泵系統(tǒng)集成，智慧城市就可以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
Inazumi 教授強調(diào)：“東南亞炎熱潮濕的氣候可能會影響 GSHP 系統(tǒng)的長期有效性。盡管如此，這項研究的結(jié)果強調(diào)了開展進一步研究的必要性，并且必須包括現(xiàn)場實驗和先進的建模技術(shù)，以改進 GSHP 配置并提高系統(tǒng)性能?？傮w而言，這項研究提供了對熱帶城市地區(qū)地熱能利用的全面了解，并為未來智能城市可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新鋪平了道路。”
未來對可持續(xù)城市發(fā)展的研究將鼓勵各國政府、建筑公司和個人在全球范圍內(nèi)采用 GSHP 系統(tǒng)。
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