安徽建筑大學 程海峰
摘 要：地下空氣能的利用是對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，其常年溫度恒定，相對于室外溫度而言，冬季空氣溫度高，夏季空氣溫度低；本文擬采用通過空氣源熱泵的方式利用這一部分能量，并與常規置于室外的方式比較，得出其節能效果。
0 引言
地下建筑圍護結構直接與土壤接觸，一定深度范圍內土壤良好的熱穩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為建筑物節能做出貢獻。筆者查閱大量文獻，結合實際工程情況，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，圍護結構直接與空氣接觸；-1層至-4層圍護結構直接與土壤接觸。夾層、-1層為商場，建筑面積分別為1830㎡、8245㎡ ；其余三層全部為車庫，面積分別為5100㎡ 、5500㎡ 、5500㎡。
2 空氣能利用的構想
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，地
溫為一個常數。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，主要有地道風降（升）溫技術［1］及基于地道風的空氣源熱泵技術［2］。地道風降（升）溫是指直接將空氣直接送入
地道或采用地埋管的方式，通過空氣與土壤的熱量交換達到降（升）溫的目的，相當于一臺空氣--土壤的熱交換器。而基于地道風的空氣源熱泵技術主要是利用地道空間內空氣作空氣
源熱泵的低位熱源，與置于室外的空氣源熱泵相比，熱泵效率將會得到提高。傳統地道風系統是直流式系統，直接利用空氣與土壤換熱后的能量。而交通大廈車庫周圍土壤傳遞的能量一部分被車庫通風帶走，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，這是與傳統地道風研究的不同之處。基于此，我們擬采用第二種方式，即把車庫內空氣作為空氣源熱泵的低位熱源。通過分別計算得到車庫周圍土壤可以提供冷、熱量的能力及商場所需要的冷熱負荷并進行比較，不足部分由地上建筑的冷、熱源附帶解決。
3 計算不同室內溫度條件下地下車庫空間可提供給空氣源熱泵的能量
3.1 計算思路
土壤溫度的年振幅隨著深度的增加而減小, 在高緯度地區年振幅消失于20 ~ 25m 處,中緯度消失于15 ~20m 處［3］，這部分區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，我們可以近似認為在15 ~20m 處土壤為恒溫。文獻［4］從能量守恒的角度出發, 證明恒溫層的溫度等于當地空氣年均溫度。交通大廈-4層標高為-25m，在計算過程我們可近似認為這部分地下空間土壤源溫度恒定為合肥地區年平均氣溫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］；冬季土壤會通過圍護結構傳給室內熱量，夏季室內熱量會通過圍護結構向土壤傳遞。假設土壤傳遞給室內熱量（室內傳遞給土壤熱量）Q1；地下車庫通風帶走（帶來）的熱量為Q2；那么這兩部分能量的差值Q（Q=Q1-Q2），再乘以相應的系數即為可供空氣源熱泵利用的冷、熱量。
3.2 計算假設條件
1）土壤物性為常數，溫度恒定為15.8℃；
2）忽略了室內空氣與土壤中的濕傳遞及室內空氣與室外通風空氣的濕傳遞；
3）認為地下室內均勻送風，室內空氣溫度均勻一致；
4）將室內空氣與土壤之間的傳熱過程近似為帶有第三類邊界條件的半無限大物體傳熱
模型；室內空氣與室外空氣的傳熱為顯熱傳熱。
3.3計算中用到的參數及公式如表1
表1 計算中的各種參數
土壤溫度與室內溫度差值 | △T1 |
室內溫度與室外計算通風溫度差值 | △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℃ |
合肥夏季通風室外計算干球溫度（℃） | 31.4℃ |
合肥冬季通風室外計算干球溫度（℃） | 2.6℃ |
與土壤接觸的有效傳熱面積F(㎡) | 6318+377×13.7=11482㎡ |
地下車庫體積（m3） | （5100+5500+5500）×3=48300m3 |
地下室通風量m3/h(按6次換氣次數) | 48300×6=289800m3/h |
地下室通風空氣質量(kg/h) | 1.29×289800=373842kg/h |
空氣定壓比熱容（27℃時） | 1.005KJ/kg.k |
土壤傳熱K值 | 地下空間的內表面為400mm厚的鋼筋混凝土襯砌，其導熱系數為1.5 W/(m·℃)；內表面的換熱系數為：8.13W/( ㎡·℃)；經計算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，則地下空間空氣穩定溫度為室外通風計算溫度，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，經計算熱泵夏季所處環境溫度為31.4時，其性能系數COP為3.6，則熱泵夏季可提供的冷量需要乘以0.78的系數，
則為：465×0.78=362kw ；
3.4.2 冬季可供風冷熱泵利用的熱量
為了使可供利用的能量最大，則地下空間穩定溫度為室外通風計算溫度，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，
則為：394×1.3=512kw ；
4 商場的冷熱負荷及熱泵機組的選配
4.1 室內負荷計算參數如表2
表2 室內空調設計參數表
室內設計參數 | 室內設計參數 | ||
夏季設計溫度 | 26℃ | 設備功率 | 13w/㎡ |
夏季設計相對濕度 | 65% | 燈光功率 | 40w/㎡ |
冬季設計溫度 | 18℃ | 人員密度 | 0.5人/㎡ |
冬季設計相對濕度 | 35% | 人均新風值 | 16m3/h.人 |
4.2 室內負荷計算結果及機組選擇
經負荷計算，-1F夾層商場夏季冷負荷為：218kw，冬季熱負荷為：117kw；
-2層商場夏季冷負荷為：603kw，冬季熱負荷為：554kw；結合地下空間可供提供的能量和空氣源熱泵樣本機組的高效運行區域，選擇一臺額定制冷量為404kw，制熱量為508kw的機組，可滿足夾層商場和-1層商場一部分負荷需求；-1層商場不足部分可由地上建筑冷熱源附帶解決。
5 機組在地下空間的性能系數COP與置于室外環境下比較
機組制冷工況環境干球溫度為35℃時，COP為3.2；機組制熱工況環境干球溫度為7℃時，其性能系數COP為3.6；機組在不同環境溫度下制冷、制熱量及輸入功率修正系數，如表3
表3 機組不同環境溫度下制冷、熱量及輸入功率修正系數
夏季 | 室外環境溫度 | 25℃ | 30℃ | 35℃ | 40℃ |
制冷量修正系數 | 1.01 | 1.05 | 1 | 0.95 | |
輸入功率修正系數 | 0.86 | 0.93 | 1 | 1.06 | |
冬季 | 室外環境溫度 | -7℃ | 0℃ | 7℃ | 15℃ |
制熱量修正系數 | 0.6 | 0.78 | 1 | 1.3 | |
輸入功率修正系數 | 0.8 | 0.86 | 1 | 1.08 |
夏季地下空間溫度為31.4℃，此時機組性能系數COP為3.6；室外空調計算干球溫度為35℃，當機組直接置于室外時其性能系數COP為3.2；因此，其性能系數COP值提高了12.5%.
冬季地下空間溫度為2.6℃，此時機組性能系數COP為3.37；室外空調計算干球溫度為-4.2℃，當機組直接置于室外時其性能系數COP為2.88；因此，其性能系數COP值提高了17%.
6 根據風量校核空氣源熱泵的供熱、供冷能力
車庫換氣次數按照6次/h計算，地下車庫風量為289800m3/h；查找某空氣源熱泵樣本可知：當制冷量為60kw、制熱量為64kw時，空氣側換熱器風量為26000m3/h；由此計算當風量為289800m3/h時，空氣源熱泵機組可提供的冷量為668kw、熱量為713kw.因此，由校核計算可知：在車庫6次/h換氣次數的條件下，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節能作出巨大貢獻
2）本文詳細闡述了地下空間可以用的空氣能量的計算方法，可以作為工程參考依據
3）經比較發現，置于地下空間的空氣源熱泵與置于室外環境下相比，其性能系數COP值大大提高，可節約大量的運行費用
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
參考文獻
[1] 桂玲玲. 地道風在建筑通風空調中的利用研究 碩士學位論文 南京理工大學2009年6月
[2] 李永安等.基于地道風的空氣源熱泵性能研究[J].地溫建筑技術.2003(l)：441~444
[3] 常征.土壤溫度的變化特點及其規律. 油氣儲運 1 9 8 9 年6月第8 卷, 第3 期：35
[4] 劉曉燕,趙軍等. 土壤恒溫層溫度及深度研究[J].太陽能學報 2007，28（5）：495~498
[5] 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 GB 50736 – 2012 ：124
[6] 張虎, 程海峰等.復合土壤源熱泵系統在合肥地區的應用分析 安徽建筑工業學院學報 (自然科學版) 第18卷第6期 2010年12月 ：70~73
