安徽建筑大學(xué) 程海峰
摘 要：地下空氣能的利用是對(duì)可再生能源的一種利用方式。由于地下土壤層的蓄熱能力和溫度波衰減和延遲作用，在一定深度范圍內(nèi)，其常年溫度恒定，相對(duì)于室外溫度而言，冬季空氣溫度高，夏季空氣溫度低；本文擬采用通過(guò)空氣源熱泵的方式利用這一部分能量，并與常規(guī)置于室外的方式比較，得出其節(jié)能效果。
0 引言
地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與土壤接觸，一定深度范圍內(nèi)土壤良好的熱穩(wěn)定性使地下空間具有“冬暖夏涼“的特性；充分利用地下空間這一部分能量將會(huì)為建筑物節(jié)能做出貢獻(xiàn)。筆者查閱大量文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際工程情況，提出地下空間能量利用的做法，以供參考。
1 地下建筑概況
交通大廈位于安徽省合肥市，地下共有5層。夾層周圍為下沉廣場(chǎng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與空氣接觸；-1層至-4層圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與土壤接觸。夾層、-1層為商場(chǎng)，建筑面積分別為1830㎡、8245㎡ ；其余三層全部為車庫(kù)，面積分別為5100㎡ 、5500㎡ 、5500㎡。
2 空氣能利用的構(gòu)想
由于土壤的蓄熱能力，地溫隨著地表深度的增加而衰減和延遲。在一定深度范圍內(nèi)，地
溫為一個(gè)常數(shù)。并且，這部分土壤溫度冬季比室外溫度高，夏季比室外溫度低。對(duì)于這部分地下空間這種“冬暖夏涼“的特性的利用，前人已有了大量的研究工作，主要有地道風(fēng)降（升）溫技術(shù)［1］及基于地道風(fēng)的空氣源熱泵技術(shù)［2］。地道風(fēng)降（升）溫是指直接將空氣直接送入
地道或采用地埋管的方式，通過(guò)空氣與土壤的熱量交換達(dá)到降（升）溫的目的，相當(dāng)于一臺(tái)空氣--土壤的熱交換器。而基于地道風(fēng)的空氣源熱泵技術(shù)主要是利用地道空間內(nèi)空氣作空氣
源熱泵的低位熱源，與置于室外的空氣源熱泵相比，熱泵效率將會(huì)得到提高。傳統(tǒng)地道風(fēng)系統(tǒng)是直流式系統(tǒng)，直接利用空氣與土壤換熱后的能量。而交通大廈車庫(kù)周圍土壤傳遞的能量一部分被車庫(kù)通風(fēng)帶走，考慮到汽車尾氣的存在，這部分能量不能直接加以利用，而是排放到室外，余下部分才是可供利用的能量，這是與傳統(tǒng)地道風(fēng)研究的不同之處。基于此，我們擬采用第二種方式，即把車庫(kù)內(nèi)空氣作為空氣源熱泵的低位熱源。通過(guò)分別計(jì)算得到車庫(kù)周圍土壤可以提供冷、熱量的能力及商場(chǎng)所需要的冷熱負(fù)荷并進(jìn)行比較，不足部分由地上建筑的冷、熱源附帶解決。
3 計(jì)算不同室內(nèi)溫度條件下地下車庫(kù)空間可提供給空氣源熱泵的能量
3.1 計(jì)算思路
土壤溫度的年振幅隨著深度的增加而減小, 在高緯度地區(qū)年振幅消失于20 ~ 25m 處,中緯度消失于15 ~20m 處［3］，這部分區(qū)域也就是土壤的恒溫層。合肥位于北緯31度52分，屬于中緯度地區(qū)，我們可以近似認(rèn)為在15 ~20m 處土壤為恒溫。文獻(xiàn)［4］從能量守恒的角度出發(fā), 證明恒溫層的溫度等于當(dāng)?shù)乜諝饽昃鶞囟取＝煌ù髲B-4層標(biāo)高為-25m，在計(jì)算過(guò)程我們可近似認(rèn)為這部分地下空間土壤源溫度恒定為合肥地區(qū)年平均氣溫15.8℃［5］。
恒溫層處土壤溫度冬季比室外溫度高，夏季比室外溫度低［6］；冬季土壤會(huì)通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳給室內(nèi)熱量，夏季室內(nèi)熱量會(huì)通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向土壤傳遞。假設(shè)土壤傳遞給室內(nèi)熱量（室內(nèi)傳遞給土壤熱量）Q1；地下車庫(kù)通風(fēng)帶走（帶來(lái)）的熱量為Q2；那么這兩部分能量的差值Q（Q=Q1-Q2），再乘以相應(yīng)的系數(shù)即為可供空氣源熱泵利用的冷、熱量。
3.2 計(jì)算假設(shè)條件
1）土壤物性為常數(shù)，溫度恒定為15.8℃；
2）忽略了室內(nèi)空氣與土壤中的濕傳遞及室內(nèi)空氣與室外通風(fēng)空氣的濕傳遞；
3）認(rèn)為地下室內(nèi)均勻送風(fēng)，室內(nèi)空氣溫度均勻一致；
4）將室內(nèi)空氣與土壤之間的傳熱過(guò)程近似為帶有第三類邊界條件的半無(wú)限大物體傳熱
模型；室內(nèi)空氣與室外空氣的傳熱為顯熱傳熱。
3.3計(jì)算中用到的參數(shù)及公式如表1
表1 計(jì)算中的各種參數(shù)
土壤溫度與室內(nèi)溫度差值 | △T1 |
室內(nèi)溫度與室外計(jì)算通風(fēng)溫度差值 | △T2 |
Q1為土壤傳遞能量 | Q1=KF△T1 |
Q2為室外空氣傳遞能量 | Q1=CM△T2 |
Q為可供熱泵利用的能量 | Q=Q1-Q2 |
土壤源溫度（℃） | 15.8℃ |
合肥夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度（℃） | 31.4℃ |
合肥冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度（℃） | 2.6℃ |
與土壤接觸的有效傳熱面積F(㎡) | 6318+377×13.7=11482㎡ |
地下車庫(kù)體積（m3） | （5100+5500+5500）×3=48300m3 |
地下室通風(fēng)量m3/h(按6次換氣次數(shù)) | 48300×6=289800m3/h |
地下室通風(fēng)空氣質(zhì)量(kg/h) | 1.29×289800=373842kg/h |
空氣定壓比熱容（27℃時(shí)） | 1.005KJ/kg.k |
土壤傳熱K值 | 地下空間的內(nèi)表面為400mm厚的鋼筋混凝土襯砌，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·℃)；內(nèi)表面的換熱系數(shù)為：8.13W/( ㎡·℃)；經(jīng)計(jì)算K=2.6w/㎡℃ |
3.4 冬、夏季地下空間可提供的能量
3.4.1夏季可供空氣源熱泵利用的冷量
為了使可供利用的能量最大，則地下空間空氣穩(wěn)定溫度為室外通風(fēng)計(jì)算溫度，即為31.4℃；
Q1=2.6×11482×(31.4-15.8)=465kw； Q2= 0w ； Q=Q1-Q2=465kw
查某熱泵樣本，經(jīng)計(jì)算熱泵夏季所處環(huán)境溫度為31.4時(shí)，其性能系數(shù)COP為3.6，則熱泵夏季可提供的冷量需要乘以0.78的系數(shù)，
則為：465×0.78=362kw ；
3.4.2 冬季可供風(fēng)冷熱泵利用的熱量
為了使可供利用的能量最大，則地下空間穩(wěn)定溫度為室外通風(fēng)計(jì)算溫度，即為2.6℃；
Q1=2.6×11482×(15.8-2.6)=394kw ； Q2= 0w ； Q=394kw ；
查某熱泵樣本，熱泵冬季性能系數(shù)COP值為3.37，則熱泵冬季可提供的熱量需要乘以1.3的系數(shù)，
則為：394×1.3=512kw ；
4 商場(chǎng)的冷熱負(fù)荷及熱泵機(jī)組的選配
4.1 室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算參數(shù)如表2
表2 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表
室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) | 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) | ||
夏季設(shè)計(jì)溫度 | 26℃ | 設(shè)備功率 | 13w/㎡ |
夏季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度 | 65% | 燈光功率 | 40w/㎡ |
冬季設(shè)計(jì)溫度 | 18℃ | 人員密度 | 0.5人/㎡ |
冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度 | 35% | 人均新風(fēng)值 | 16m3/h.人 |
4.2 室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及機(jī)組選擇
經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，-1F夾層商場(chǎng)夏季冷負(fù)荷為：218kw，冬季熱負(fù)荷為：117kw；
-2層商場(chǎng)夏季冷負(fù)荷為：603kw，冬季熱負(fù)荷為：554kw；結(jié)合地下空間可供提供的能量和空氣源熱泵樣本機(jī)組的高效運(yùn)行區(qū)域，選擇一臺(tái)額定制冷量為404kw，制熱量為508kw的機(jī)組，可滿足夾層商場(chǎng)和-1層商場(chǎng)一部分負(fù)荷需求；-1層商場(chǎng)不足部分可由地上建筑冷熱源附帶解決。
5 機(jī)組在地下空間的性能系數(shù)COP與置于室外環(huán)境下比較
機(jī)組制冷工況環(huán)境干球溫度為35℃時(shí)，COP為3.2；機(jī)組制熱工況環(huán)境干球溫度為7℃時(shí)，其性能系數(shù)COP為3.6；機(jī)組在不同環(huán)境溫度下制冷、制熱量及輸入功率修正系數(shù)，如表3
表3 機(jī)組不同環(huán)境溫度下制冷、熱量及輸入功率修正系數(shù)
夏季 | 室外環(huán)境溫度 | 25℃ | 30℃ | 35℃ | 40℃ |
制冷量修正系數(shù) | 1.01 | 1.05 | 1 | 0.95 | |
輸入功率修正系數(shù) | 0.86 | 0.93 | 1 | 1.06 | |
冬季 | 室外環(huán)境溫度 | -7℃ | 0℃ | 7℃ | 15℃ |
制熱量修正系數(shù) | 0.6 | 0.78 | 1 | 1.3 | |
輸入功率修正系數(shù) | 0.8 | 0.86 | 1 | 1.08 |
夏季地下空間溫度為31.4℃，此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)COP為3.6；室外空調(diào)計(jì)算干球溫度為35℃，當(dāng)機(jī)組直接置于室外時(shí)其性能系數(shù)COP為3.2；因此，其性能系數(shù)COP值提高了12.5%.
冬季地下空間溫度為2.6℃，此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)COP為3.37；室外空調(diào)計(jì)算干球溫度為-4.2℃，當(dāng)機(jī)組直接置于室外時(shí)其性能系數(shù)COP為2.88；因此，其性能系數(shù)COP值提高了17%.
6 根據(jù)風(fēng)量校核空氣源熱泵的供熱、供冷能力
車庫(kù)換氣次數(shù)按照6次/h計(jì)算，地下車庫(kù)風(fēng)量為289800m3/h；查找某空氣源熱泵樣本可知：當(dāng)制冷量為60kw、制熱量為64kw時(shí)，空氣側(cè)換熱器風(fēng)量為26000m3/h；由此計(jì)算當(dāng)風(fēng)量為289800m3/h時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組可提供的冷量為668kw、熱量為713kw.因此，由校核計(jì)算可知：在車庫(kù)6次/h換氣次數(shù)的條件下，空氣源熱泵可提供的冷、熱量完全滿足我們的熱泵選型要求。
7結(jié)論
1） 地下空氣能是取之不盡用之不竭的綠色能源，充分、合理地利用地下能對(duì)節(jié)能作出巨大貢獻(xiàn)
2）本文詳細(xì)闡述了地下空間可以用的空氣能量的計(jì)算方法，可以作為工程參考依據(jù)
3）經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，置于地下空間的空氣源熱泵與置于室外環(huán)境下相比，其性能系數(shù)COP值大大提高，可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用
4）冬季地下空間溫度比室外溫度高7.8℃，以地下空間空氣作為空氣源熱泵的低位熱源，有效地抑制了制熱量的衰減, 能夠制取足夠的熱量
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