地熱恒溫空氣交換系統

鄒 穎 陳 垚 陳曉倩 翟志東

（長安大學環境科學與工程學院 陜西 西安 710054）

當前室內空氣調節設施主要有空調，暖氣，熱泵等，并且技術已經達到相當高度，能基本滿足人們日常生活對室內環境舒適度的要求：如降溫，除濕，升溫，凈化空氣等。同時也存在許多缺陷與隱患：空調病的產生；目前使用的制冷劑對人體和環境有一定危害；給電力帶來很大的壓力；陰陽離子正常比例失調造成人體生理的紊亂；室內外溫差過大，引起人體不適。室內溫度調節系統的使用，確實改善了室內環境，但是由于過分強調控溫效果而使室內形成密閉空間，空氣不能充分流通，對人類健康反而不利。熱泵利用地熱解決了能耗問題，但又會造成破壞地表植被等一系列環境問題。并且當前控溫裝置耗能之大，對環境的危害卻違背了可持續發展的理念。

地熱恒溫空氣交換系統就是為了解決以上問題而提出的。我們設想：冬天，在暖氣房中，為了維持暖氣效果而緊閉窗戶。由于人的活動，使得室內的二氧化碳濃度上升，氧氣濃度下降，容易引起頭暈目眩，思想不集中，無法思考等問題。此時，我們不得不打開門窗通風換氣。但是冷風入侵，空氣得到充分交換也降低了室內溫度，不舒適感上升。同樣的，在夏季，大部分人群還是會選擇緊閉門窗來減少電能的消耗，畢竟，對當前非常節能的空調系統來說仍然是一筆不小的開支。

我們進行了如下假設：怎樣將室外的新鮮的空氣經過升降溫度后導入到室內，盡量減少能耗，維持室內空氣的新鮮程度，并盡可能減少對環境和人體的的負面影響。

為了盡可能減少能耗，我們將視線投向了地熱，這是一種絕對清潔的能源，并且取之不盡，用之不竭。但是怎樣改進才能減少對環境的負面影響呢。

地熱恒溫空氣交換系統就是利用土壤在一定深度以下的溫度維持在13℃-18℃之間的原理。冬季，室外的新鮮空氣通過埋在地下的管道從大地收集熱量后由室內終端設備釋放到室內的空間中；在夏季，室外空氣的多余熱量通過地下管道為大地所吸收，實現室內溫度的下降。因此，本系統不僅可以保持室內空氣新鮮，還可以實現空調的部分功能。

為了使進入管道的空氣維持在舒適的溫度，管道必須足夠長，但是寸土寸金的地區，采用過長的直線型管道顯然是不經濟也是不切實際的。所以本系統采用螺旋管道，并將管道表面設計成肋形以增強換熱，有規則的凹凸的表面增大了換熱面積。在進口處以及運用到高層時附加的氣體推進裝置可以防止流動損失；北方干燥地區，室外的空氣濕度無法滿足人體需求，在室內氣體出口處安裝加濕裝置；為了保證材料絕對環保，本系統地面以下的管道采用日豐管（該材料能在地下保存較長時間并且對土壤不會造成太大影響），地面以上的管道采用PPC管，管材的選用主要為了滿足壁厚薄，便于換熱，耐腐蝕，流體流動阻力小，使用壽命長，費用低，易維護的特點。

為了避免傳統的通風空調方式——混合通風的問題：室內的污染物被“稀釋”，到達工作區的空氣遠不如風口送出的那樣新鮮，送風速度和隨送風量過大給人們造成的不適，我們采用置換法送風：將處理過的空氣直接送入人的工作區（呼吸區），使人率先接觸到新鮮空氣，使人直接處于新鮮空氣的影響范圍內，時時刻刻處于舒適的環境中，改善呼吸區的空氣品質。

針對地熱恒溫空氣交換系統的核心部分——溫度調控裝置，結合西安土壤環境背景值，對土壤取熱的變化趨勢建立相關的非線性數學回歸模型驗證系統的合理性。運用流體力學和工程熱力學的相關公式得到土壤溫降數學模型：

空氣經過一個長10m、直徑320mm的管道與土壤進行換熱（即冷空氣被土壤加熱）。已知：土壤原始溫度為18℃，空氣溫度為-3.2℃，空氣速度為3m/s，土壤按粘土考慮。下圖是管道尺寸：

假設空氣能從土壤中得到所需熱量。

空氣由-3.2℃升溫到18℃從土壤中吸收的熱量為：

根據半無限大物體的瞬態傳熱可知，土壤的熱滲透深度為：

最終得到土壤溫度隨時間變化關系。這里截取部分圖表。

土壤溫度隨時間變化關系

模型進行大量的數據模擬，證明本方案切實可行。

只要溫度適宜的新鮮空氣能夠進入到室內，達到可接受的室內空氣品質，并且盡可能降低能耗，對環境不造成污染，我們可以認為，本方案已經完成了預定目標。

該方案經過驗證之后切實可行，并且不會產生二次污染。運用同樣的思路與方法，結合不同地區的土壤環境背景，其適用范圍可以延伸至全國各大城市，甚至引出國外。只要地熱恒溫空氣交換系統得到更大范圍的使用，我們在可以更大限度的降低室內空氣溫度調節系統給環境所帶來的危害面的同時為人們送去清新宜人、濕度適宜的空氣。

地熱恒溫空氣交換系統采用地熱這種容易被人忽略但是地球上儲藏豐富的資源，利用空氣流體等知識，安全環保，減少能源消耗，符合低碳生活的理念。

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