一種新型地能

摘 要：文章對空調的危害進行了剖析，引出了地能（特別是淺層地能）和太陽能兩種清潔可再生能源的使用，著重分析了一種可以替代空調的新型地能-太陽能地下溫控系統方案，該系統能夠在一定程度上替代空調，而且無能耗，溫控效率高，不足的是成本較空調貴，但從長期使用角度出發，考慮時間價值的話，該系統還是經濟可行的。

關鍵詞：地能；太陽能；溫控系統

中圖分類號：TK512 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）9-0001-02

隨著科學技術的發展和人民物質水平的提高，空調成為十分普及的日用品，但它在給人們帶來舒適的同時也存在著許多的不足。首先是能耗大，城市建設的發展，建筑能耗占全國總能耗的30%左右，而空調耗能占整個建筑能耗的60%以上，且耗能比例還在不斷增加。城市每年的用電高峰在夏季，其中空調耗電占總發電量的30%左右，2013年杭州夏季的日用電量首度突破900萬kW大關，創歷史新高達到912萬kW，而其中空調用電就占到了將近30%，廣州地區更高，能達50%～60%；其次長期使用空調還容易對人們的健康造成危害，使人們容易患炎癥和感冒，而且空調房間內一般比較密封，不透風，很容易滋生有害細菌；再次空調中制冷劑所使用的氟利昂對大氣臭氧層的破壞非常嚴重，根據全球總臭氧觀測的結果表明，除赤道外，1978～1991年總臭氧每10年間就減少1%～5%，到目前為止95%的臭氧層遭到破壞。臭氧層耗竭，會使太陽光中的紫外線大量輻射到地面，對人類及其生存的環境造成不利后果：臭氧破壞將打亂生態系統中復雜的食物鏈，導致一些生物面臨滅絕；也會使農作物大量減產，導致糧食危機；臭氧破壞還將引起全球氣候變暖，海平面上升等危害。正因為上述問題，人們已不斷開始尋求新能源的替代，例如風能、太陽能、地能，本文將以地能和太陽聯動來研究溫控系統。

1 地能-太陽能介紹

地能和太陽能都是新時代的清潔可再生能源。地能也稱為地熱能，國際上按照地熱資源的溫度不同，通常把熱儲溫度>150 ℃者稱為高溫地熱能，<150 ℃而>90 ℃者稱為中溫地熱能，<90 ℃者稱為低溫地熱資源。地熱溫泉的下限溫度定為25 ℃，按照25 ℃的界限，通常把地熱分成兩種，25 ℃以上的稱為傳統地熱能，<25 ℃的稱為淺層地熱能。傳統地熱能被使用得比較早，也較為廣泛，主要在溫泉上比較多；而淺層地熱能作為一種低溫能源，一般在地下15 m開始至數百米之間，溫度恒定，是一處恒溫帶，我國恒溫帶溫度水平在25 ℃以下，一般略高于當地的年平均氣溫，其中北方：15±5 ℃，而南方20±5 ℃，全國各地恒溫帶溫差一般7～8 ℃。由于溫度較低、基本處于恒溫而且又可再生，隨著科學技術的進步，淺層地熱能的開采和利用也越來越受到重視，其主要用于調節室溫，作為制冷的冷源和供暖的熱源比較多。

近幾年，太陽能的使用也越來越受到普及，太陽能發電是太陽能使用中占的比重比較大。太陽能發電有兩種方式，一種是光-熱-電轉換發電，另一種是光-電直接轉換發電。前一種方式類似于火力發電，但是其效率較低而且成本很高，在大規模地利用上很不經濟；光-電直接轉換發電是現在社會上用得比較多的一種方式，常見的是使用硅的光電效應進行發電，效率相對較高，而且清潔無污染。

2 地能-太陽能新型溫控系統方案

2.1 溫控系統裝置

將淺層地熱能和太陽能相結合，以下是一種新型溫控系統的方案的模型圖，其機械設計部分如圖1所示。

該系統機械部分設計由空氣輸入裝置1，導熱管2，保溫氣體輸出管3和氣體輸出分配裝置4組成，系統裝配為細長型組合裝置，長度4～8 m。具體運作時外界待調溫空氣通過風機鼓入空氣輸入裝置1，其中風機由太陽能電池供電，帶調溫空氣經過埋在地下的導熱管2（具體實施時使用紫銅導熱管）熱交換后通過氣體輸出分配裝置4輸出到室內，其中紫銅導熱管全部埋在恒溫帶中，導熱管從恒溫帶輸出到房屋這一段用聚氨酯保溫管進行保溫，阻止傳輸中與外界的熱交換，減少熱量損失；系統采用溫控裝置與調速電機結合，通過控制電機轉速來改變氣體流經導熱管的時間（即熱交換時間）來達到輸出不同溫度氣體的目的。溫控裝置檢測輸出的氣體溫度，與需求的溫度進行比較，利用經實際檢測得到的溫度和轉速公式對風機轉速自動進行調節，達到溫度可控的目的。

系統利用了淺層地熱能，通過將待調溫空氣導入恒定低溫層調溫后返還到室內，達到了調節室內溫度的效果，徹底杜絕了氟利昂的使用，只需使用太陽能對風機進行供電，避免了空調的高能耗，由于地下恒溫層溫度基本保持不變，所以能夠使室內達到冬暖夏涼的效果。

2.2 溫控導熱管的設計

導熱管是整個系統的核心部件，外界待調溫氣體通過導熱管直接與恒溫層的土壤或流水進行熱交換。導熱管以導熱效果極好的紫銅為材料，導熱管呈螺旋狀，以增大熱交換面積，為了讓更多的氣體更好地進行熱交換，導熱管的口徑制得較細，一個導熱裝置由多根導熱管并行排列構成。

導熱管長度L的計算，具體使用系統時導熱管的長度是要經過計算的，具體計算方法如下：

假設：

①恒溫帶可以看成完全恒溫，熱交換過程導熱管周圍溫度不變；

②管子足夠細且傳熱效果極好，可看成空氣直接與恒溫帶進行熱交換；

③保溫管絕對保溫，空氣經過導熱管熱量損失為0；

結合以上已知條件，并通過模擬實驗分析得：輸入待冷卻氣體（30 ℃），輸出25 ℃的冷卻氣體，以12 m3/min流量速度冷卻，結合房屋大小（假設為70 m3左右），即可在5～6 min使溫度降下來，空調一般立即制冷要求在5 min以內，所以此系統的制冷效果還是較為不錯的，由于吸熱和放熱的過程是可逆的，所以系統整體效率是較好的。

2.2 溫控系統的經濟性分析

系統采用太陽能電池作為能量來源，淺層地能作為空氣調溫的能源，這兩種能源都屬于可再生能源，在使用中無耗能，這也是該系統優于空調高耗能的地方。

系統需要紫銅管作為熱交換管，利用太陽能電池板提供能源，加之輸風管與送風保溫管的購買，系統的費用一般在6 000左右（太陽能電池板費用在4 000左右），還有安裝埋管的相關費用，成本比空調高，但無能耗，使用效率較高，按長期算還是十分經濟的，而且可同時供應多間房間，使用空間比空調更加寬泛。

3 結 語

新型地能-太陽能地下溫控系統方案較傳統空調相比，由于完全杜絕了氟利昂的使用，對環境沒有污染；經濟成本更本，由于應用了太陽能和地能，使用過程中基本無能耗的浪費，對于家庭、企業來說節約了使用過程中的成本支出；溫控系統制造工藝相對簡便，安裝難度較小，適合推廣。

參考文獻：

[1] 龍激波，裴清清.空調大溫差能耗分析[A].全國暖通空調制冷2004年學術年會資料摘要集[C].2004.

[2] 鄭婷.保護臭氧層，世界在行動[J].綠色中國，2011，（9）.

[3] 郭海秋，陳春艷，叢日鳳.農村推廣淺層地能技術供冷暖前分析[J].綠色科技，2011，（9）.

[4] 詹士昌.牛頓冷卻定律適用范圍的探討[J].大學物理，2000，（5）.