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)的一部分的結構)并分析土壤熱動力學對于可持續(xù)城市發(fā)展至關重要。
雖然大多數(shù)研究都關注溫帶氣候下 GSHP 系統(tǒng)的技術和經濟方面，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能量樁周圍的土壤溫度。其輸入參數(shù)包括材料和土壤的物理和熱特性。相關數(shù)據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：“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，這項研究的結果強調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，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采用 GSHP 系統(tǒng)。
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