地源热泵 (GSHP) 系统等可持续解决方案受到青睐。GSHP 系统利用地表以下的稳定地热能为建筑物提供供暖和制冷。因此，它们是传统供暖、通风和空调或 HVAC 系统的环保替代品。具体而言，在建设智能城市时，使用能源桩(支撑建筑物并作为 GSHP 系统的一部分的结构)并分析土壤热动力学对于可持续城市发展至关重要。
虽然大多数研究都关注温带气候下 GSHP 系统的技术和经济方面，但很少有研究涵盖东南亚等热带地区。这一点很重要，因为东南亚的软海洋粘土与温带土壤有很大不同，这可能会影响 GSHP 系统的效率。高温和城市热岛效应也是热带地区的重大挑战。
在此背景下，由芝浦工业大学工程学院 Shinya Inazumi 教授领导的科学家团队研究了如何优化 GSHP 系统以实现热带地区的可持续城市发展。他们特别关注了土壤热导率和密度对东南亚系统性能的影响。他们的研究结果于 2024 年 6 月 12 日发表在《智慧城市》杂志上。
Inazumi 教授解释说：“有几个关键因素和环境问题促使我们进行这项研究。这些因素包括由于快速城市化而导致的能源需求增加、对化石燃料的严重依赖、城市热岛效应以及对可持续城市发展的日益推动。因此，我们研究了如何将 GSHP 系统与能源桩相结合以有效应对这些挑战，从而促进环境效益并满足城市能源需求。”
为此，研究人员开发了一个一维有限差分模型来预测不同距离和时间段内能量桩周围的土壤温度。其输入参数包括材料和土壤的物理和热特性。相关数据来自对东南亚地源热泵系统的广泛研究，以及可靠的教科书和设计手册。值得注意的是，土壤热导率和土壤密度是分析的关键参数，以了解它们对能量桩周围土壤温度的影响。
研究人员发现，尽管土壤热导率发生变化，但能源堆周围的温度分布在一个月、三个月和一年内保持稳定。系统热行为对这些变化的适应性表明，尽管土壤热导率略有变化，但 GSHP 系统仍可灵活设计。
“土壤密度从 1400 kg/m 3 增加到 1800 kg/m 3时，土壤温度下降。具体来说，随着土壤密度的每次增加，在特定时期(分别为三个月、六个月和一年)内温度分别下降 0.02 ◦ C、0.01 ◦ C 和 0.0025 ◦ C。因此，土壤密度与土壤温度之间的比例关系表明，高密度土壤可提高导热性，进而提高系统性能，” Inazumi 教授解释道。
此外，土壤密度每增加10%，距能源桩0.3m处的平均温度会降低0.007℃，0.6m处会降低0.003℃，1.0m处会降低0.0009℃，但这说明高密度土壤对土壤温度的影响随着距能源桩距离的增加而减小。
总体而言，这些结果表明，使用稳定的地面温度，地源热泵系统(特别是与能源桩集成时)可以有效地加热和冷却城市环境。这种集成减少了城市居民对传统供暖和制冷系统的依赖，大大减少了电力消耗和温室气体排放。它还提供了一种缓解人口密集地区的城市孤岛效应的方法。因此，如果城市基础设施与地源热泵系统集成，智慧城市就可以实现可持续发展。
Inazumi 教授强调：“东南亚炎热潮湿的气候可能会影响 GSHP 系统的长期有效性。尽管如此，这项研究的结果强调了开展进一步研究的必要性，并且必须包括现场实验和先进的建模技术，以改进 GSHP 配置并提高系统性能。总体而言，这项研究提供了对热带城市地区地热能利用的全面了解，并为未来智能城市可持续发展的创新铺平了道路。”