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目 录
摘 要 1
1 介绍 2
2 应用实例 4
3 冷热源基础的热有源电路 6
4 冷热源基础设计方面 8
5 冷热源基础的好处 11
6案例历史 12
7 促进地热应用 15
8 总结 16
9 参考文献 17
摘 要
冷热源基础和其他热活动地面结构，冷热源威尔斯，路面或桥面加热/冷却代表一种创新的技术，有助于环境保护，并提供可观的长期成本节约和最小化维护。本文重点讨论土接触混凝土构件，这些构件由于结构原因已经需要，但同时作为换热器工作。填充有热载体流体的吸收器管安装在传统的结构元件（桩、压捆机、地下连续墙、地下室板或墙、隧道衬里）中，形成地热能系统的初级电路。自然地面温度在冬季用作热源，夏季用于冷却。因此，在表面以下不需要安装额外的元件。主电路然后通过热泵连接到建筑物内的次级电路。本文还列举了冷热源基础的优点。
关键词：冷热源基础；能量桩；热地热源结构；地热岩土工程
1 介绍
在过去的20年中，冷热源基础和其他热活动地源系统的技术发展得非常好，奥地利仍然具有开创性的作用，如图1所示，显示了能量堆在1984和2010之间的增加。自2005年度以来，每年已安装超过7000个冷热源桩，导致近100000个冷热源桩的总数，从小直径驱动桩到大直径钻孔桩（图2）。此外，“能量隔墙”（泥浆沟墙）已成为奥地利冷热源桩的常用替代方案。许多有深地下室和地铁线路的建筑物，例如维也纳地铁的所有新车站都有“能量隔墙”。特别是在地下水水位高的地区，它们在许多情况下被证明是合适的，如图3, 4所示。
一个季节性的运行与冷热源平衡的加热和冷却已被证明是最经济和环保。这也与20世纪70年代以来房屋能耗的变化相对应，尤其是自2000年份以来，供暖所需的能量明显减少，但另一方面，用于冷却的能量也在增加，主要是由于大的玻璃幕墙和永久关闭的风。现代建筑的WS。
比较调查显示，在超过50年的寿命中，房屋（特别是住宅和办公楼、购物中心）的运营成本明显高于建筑成本。因此，优化的冷热源概念是最重要的，也涉及到环境方面。
图1 在奥地利安装的冷热源桩数量；每年2005桩以上的冷热源桩
图2 大直径钻孔灌注桩钢筋笼上的吸声管
图3 用于建筑供暖和冷却的热有源地源系统实例
图4 通过地热冷却和加热的艺术中心的横截面：能量地下连续墙和桩筏（能量桩）
2 应用实例
地下地热资源可广泛应用于各种建筑物和交通区域的加热和/或冷却，利用结构元件进行能量提取或储存：
桩、隔板、隔墙作为基础构件或地下侧墙；
浅基础；
挡土墙；
堤防；
隧道衬砌（特别是靠近入口）。
特殊应用是：
多用途建筑物的加热/冷却；
地铁站和服务室的冷却/加热；
道路路面、停车场的加热/冷却；
机场跑道加热；
桥面加热/冷却。在寒冷冬季和炎热夏季的国家，桥面的加热和冷却提供了许多环境、技术和经济优势：冬季无砂砾和除冰盐渍；减少了夏季沥青路面车辙；降低了温度限制，从而增加了温度。g使用寿命；降低维护成本；
用于隧道入口附近建筑物的加热/冷却的“能量隧道”。它们可以被挖掘成封闭系统，
例如通过NATM或通过切割和覆盖方法；
封闭系统使用隧道支撑和衬砌作为能量吸收器。
这些可能是锚，岩石/土钉，土工合成材料，和二次混凝土衬砌；
“能量威尔斯”，用于加热/冷却地下水附近的建筑物的威尔斯（例如暂时或永久地下水位下降）；
奥地利铁路当局计划利用新的高速铁路沿线的地热能、挡土墙和隧道来加热（冷却）火车站、站台、人行道和楼梯；
在运动场中加热草坪是使用地热的另一种可能性。这是越来越多的国家在漫长和寒冷的冬天，但相当昂贵，由于低效率。
图5 具有能量堆和能量通量的地热能装置方案：COP＝4的热泵COP＝定义热泵效率的性能系数
3冷热源基础的热有源电路
热有源系统由地面下的初级电路和建筑物中的次级电路组成（图5）。
主回路包含在地面接触的混凝土元件（桩、压捆机、隔膜墙、柱、底板和威尔斯）中的封闭管道，通过该管道输送热载体流体，从而将建筑物的能量与地面交换。热载体流体是水、水与抗冻剂（乙二醇）或盐水溶液的传热介质。乙二醇-水混合物已被证明是最合适的，还含有防止头块、阀、热泵等的腐蚀的添加剂。一旦浇铸，地下接触混凝土元件中的管道单独连接到集箱和歧管块。它们是通过连接管道连接的，在能量基础的情况下，管道通常铺设在底板下方的盲孔内。二次回路是一种封闭的基于流体的建筑加热或冷却网络（二次管道），嵌入在建筑物的地板和墙壁或桥面、道路结构、平台等中。
通常，初级和次级电路通过热泵连接，该热泵通常将温度水平从10°C至15°C提高到25°C和35°C之间的水平，见图5。
此过程所需的全部是电能的低应用，以将原本不可用的热资源提高到更高的可用温度。热泵的原理类似于反向冰箱的原理。然而，在热泵的情况下，蒸发器中的吸热和冷凝器中的热释放都发生在较高的温度下，从而利用加热而不是冷却效果。
热泵的性能系数COP是一个设备参数，由
COP＝4的值意味着从电能的一部分和来自地面的三部分环境能量得到可用能量的四部分（图5）。
热泵的效率强烈地受到提取和实际使用温度之间的差异的影响。在热交换器（初级回路）中，高的用户温度（二次回路的加热系统的流入温度）和较低的提取温度（由于回流温度不足）降低了其效率。由于经济原因，COP值应达到4以上。因此，二次回路中的可用温度不应超过35～45°C，吸收器管中的萃取温度不应低于0～5°C。因此，该技术趋向于局限于低温加热（和冷却）。
具有热泵的热激活系统的季节性性能因子（SPF）是系统的可用能量输出与获得它所需的能量输入之比。因此SPF不仅包括热泵，还包括其他能量消耗元件（例如循环泵）。目前，SPF值为3.8～4.3是用标准的电热泵实现的。具有直接蒸发的特殊装置使SPF增加10～15%。
如果仅进行加热或仅进行冷却，则具有高水力梯度的高渗透性地层和地下水是有利的。然而，最经济和最环保的是全年都有能量平衡的季节性操作，因此在冬季加热（即从地面提取热量）和在夏季冷却（即散热/再充电到地面）。在这种情况下，只有低水力梯度的低渗透地面和地下水是有利的。
就能量吸收系统的安装而言，对桩的深度没有限制。能量势随深度的增加而增加：因此，较深的地面冷热源系统是有利的。最短的桩长、桩身或隔膜墙板的长度约为6米。能量威尔斯应达到更深，因为它们具有较低的传热能力。
4 能量基础设计方面
建筑的早期生态冷热源规划通常可以防止未来昂贵的翻新和翻新。高品质的冷热源设计不仅涉及加热和冷却（房间，水），而且照明，它需要一个多目标优化。
优化的含能热设计还应考虑来自（未）隔热板在地面或地下室墙壁上的季节性热损失。在运行低效率的建筑时，耗费的冷热源和成本远比建设高效的。一个适当的设计应该考虑整个建筑过程的效率，包括所有元素的可持续性。
对于一般可行性研究和冷热源基础的预先设计，可以从热活性冷热源基础中提取的能量体积假设如下：
桩基础D＝0.3～0.5米：运行40～60瓦/米；
桩基础D=＞0.6 m：35 W/m土接触面积；
地下连续墙、桩墙（完全埋入土壤）：
30 W/m土接触面积；
基础底板：10～30瓦/米。
干燥的土壤会产生更深的桩和较大的热交换器面积。此外，季节性的能量平衡是必需的。
可从地面提取或馈入/储存在地下的热量取决于吸收器管道系统中的最大可能热流密度。在那里，热传递发生在流体的强制对流（通常是防冻水混合物）中。为了优化吸收器管路系统，必须考虑以下参数：
管道的直径和长度；
管壁性能（粗糙度）；
在吸收器管中循环的流体的导热率、比热容、密度和粘度；
吸收器管内的流速和层流状态（层流紊流）。
在
图6 冷热源堆厂供热热流平衡方案
图6给出了由能量堆组成的热激活系统内的热传输的示意图。它说明热通量
gamma;在主回路中由热载流子输送的Qprim由比热给出。容量Cprim、质量流量m和温度差delta;Tprem。
复杂的地面特性和桩群需要数值模拟的地热加热/冷却系统。图7显示了维也纳2001年度的平均气温。需要这样的数据来设计加热冷却系统，假设加热通常在低于12°C的外部温度开始，这为非定常数值模型提供加热周期。根据下述方程用正弦曲线模拟气温的季节变化过程
当TGS是地表温度时，T是时间，Tm，OUT是平均年温度，delta;Tout是温度。
振幅,Py是持续时间，εt是相位位移。
最后，每月的加热和冷却需求必须与可用的输出相比较，如图8所示。此外，应预测吸收剂流体温度（热载体流体温度）的季节性过程。
通常，对于具有大于50KW的加热和冷却需求的建筑物，推荐地热系统的数值模拟。这个粗略的值降低到约20KW，房间必须全年冷却。几何简化可能导致热计算中的显著误差。因此，应进行三维分析。模拟应包括预期的流入和流出温度在冷热源基础和地面温度分布。数值模型和计算机程序应该可靠地校准，这是基于长期测量和来自其他站点的经验和物理合理性的基础上的。否则，即使是知名供应商也可能会得到错误的结果。经验表明，即使在有限元网格中的微小变化，结果也是非常敏感的。因此，数值模拟的重要性在于在参数研究中（以研究特定参数的影响）而不是获得“精确”的定量结果。
由于冷热源基础或冷热源威尔斯的地面温度分布的计算越来越多地被地方当局要求进行环境风险评估。这主要是指热深基础长期运行对相邻地基性质和地下水的影响。热活性地面源系统的监测对于优化的长期操作是必不可少的，并且能够实现未来项目的复杂设计。
合理的地热利用需要跨学科的设计，特别是在房屋的情况下。岩土工程工程师、建筑师、建筑设备（环卫）设计者和安装工、加热工程师和专业水管工应尽早合作，以创造最经济的冷热源系统。然而，施工招标应明确规定个人在现场的表现。它已被证明适用于一个地热经验的管道工与初级和次级电路的所有细节，从安装在基础元件的吸收器管道系统开始
图7 维也纳2001日平均室外温度，用理想正弦曲线进行数值计算
图8 冷热源堆的建筑物的供热和冷却（年分配）的能量需求和输出的例子，还示出了热载流子的温度。
Amplitude:11°
temperature:11°
Amplitude:11°
Time
annual mean
ulation
sim
rt of
Sta
Vienna 2001 (measured) sinusoidal curve
5 冷热源基础的好处
能量基础和其它热活性地球接触结构的益处可概括如下：
环境友好型（无污染、可持续冷热源）。
减少化石冷热源需求，从而减少二氧化碳排放。
促进遵守国际环境义务（京都和多伦多目标等）。
经济，至少在长期内。
虽然热-活性接地结构通常需要类似或稍高的投资成本，但它们的运行成本较低，因此比传统系统低的生命周期成本。
低维护和长寿命。
地热能系统运行完全自动化。
由于热载体电路中的低温和压力，地热加热/冷却系统可以在没有风险的情况下运行。
混凝土中封闭的主载热回路防止管道损坏或地下水污染。
增加个人舒适度（室内房间）。个人感受到的温度-环境体验-由空
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