土壤—空氣換熱與室內(nèi)全熱交換器復(fù)合系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用

摘 要：文章在現(xiàn)有土壤-空氣換熱系統(tǒng)理論研究及實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對夏熱冬冷地區(qū)氣候及淺層地溫的特征，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平和施工能力，提出土壤空氣換熱系統(tǒng)與全熱交換器結(jié)合給室內(nèi)通風(fēng)、空調(diào)的思路，期望能在促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)建筑物的節(jié)能及室內(nèi)舒適性的提高方面起到一定的作用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村住宅；土壤-空氣換熱；全熱交換器；節(jié)能

引言

清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心指出，2013年中國建筑能耗中商品能源總量為7.56億tce（ton of standard coal equivalent）[1]，其中北方城鎮(zhèn)供暖、公共建筑（不含北方城鎮(zhèn)供暖）、城鎮(zhèn)住宅（不含北方城鎮(zhèn)供暖）、農(nóng)村住宅四類各占總用能的1/4左右。江億等[2]通過分析2001年至2013年各類建筑能耗總量與能耗強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)農(nóng)村住宅總能耗及戶均能耗逐年遞增。

文章試圖在現(xiàn)有的土壤-空氣換熱系統(tǒng)（EAHES），在降低建筑能耗的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論該系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村住宅的應(yīng)用及改進(jìn)措施。

1 夏熱冬冷農(nóng)村地區(qū)區(qū)域特性及土壤-空氣換熱系統(tǒng)的介紹

1.1 夏熱冬冷地區(qū)氣候分析

夏熱冬冷地區(qū)的顯著特點(diǎn)是夏天特別炎熱，冬天較為寒冷。一般7月份的氣溫要比同緯度其他地區(qū)高出2℃左右。由于緯度較低，夏天太陽輻射強(qiáng)烈，而從太平洋上吹來的涼風(fēng)，又受到東南丘陵的阻擋，因而往往是靜風(fēng)天氣為主。在冬季，北極和西伯利亞寒潮頻繁南侵，到此地區(qū)后，又受到南嶺和東南丘陵的阻擋，使冷空氣滯留，加上河流水系眾多，空氣濕度高，通常達(dá)到73%～83%，因而感到陰涼寒冷。

1.2 農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

隨經(jīng)濟(jì)條件的不斷好轉(zhuǎn)，目前我國處于建設(shè)旺盛期，每年建成的房屋面積高達(dá)16億～20億m2，其中農(nóng)村住宅約7億～8億m2，但由于農(nóng)戶多數(shù)缺少節(jié)能觀念，所建住宅只追求造型、立面、面積、層高等方面的要求，很少經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)，加上建筑施工人員普遍情況專業(yè)素質(zhì)不夠，往往只憑經(jīng)驗(yàn)施工。因此，許多農(nóng)村住宅施工質(zhì)量一般，存在構(gòu)造不合理、氣密性不好等諸多問題，多數(shù)不能滿足國家有關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。結(jié)果造成盡管村民對能源費(fèi)用支出增加，但建筑室內(nèi)的熱環(huán)境改善卻極為有限，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

1.3 土壤-空氣換熱系統(tǒng)介紹

土壤-空氣換熱系統(tǒng)是指利用蓄存在土壤中的地?zé)崮芾鋮s或加熱室外空氣（或室內(nèi)回風(fēng)），并由機(jī)械送風(fēng)或誘導(dǎo)式通風(fēng)將處理后的空氣送人室內(nèi)，以改善室內(nèi)熱環(huán)境。它相當(dāng)于一臺(tái)土壤-空氣熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱能量的儲(chǔ)存作用來降低建筑物的空調(diào)采暖能耗。一般由進(jìn)風(fēng)口部分、地埋管換熱部分和出風(fēng)口部分三部分組成。地道風(fēng)降溫技術(shù)作為一種已應(yīng)用幾十年的建筑通風(fēng)節(jié)能技術(shù)，早期主要應(yīng)用于禮堂、影院、工業(yè)廠房等大空間建筑，而近年來通過深入的理論及實(shí)踐研究，已逐漸將其廣泛應(yīng)用到公共建筑項(xiàng)目中。

2 土壤-空氣換熱與室內(nèi)全熱交換器復(fù)合系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用

2.1 土壤-空氣換熱系統(tǒng)國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)分析

國內(nèi)外從上世紀(jì)90年代開始日益重視對土壤-空氣換熱新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。Wontug Son等[3]通過工程的實(shí)測數(shù)據(jù)指出，該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調(diào)可以大幅度的減少新風(fēng)負(fù)荷，每年至少節(jié)約12萬日元的運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)前土壤-空氣換熱系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及理論計(jì)算方面主要有以下特點(diǎn)：（1）埋地風(fēng)管埋深：埋深深度取決于當(dāng)?shù)氐貙訙囟茸兓话銍鴥?nèi)常用案例埋深為地表下3～4m，有的深達(dá)6m[4]。（2）埋地風(fēng)管一般選用HDPE管，管徑一般取Φ250～Φ350，風(fēng)速一般取2～5m/s[5]。（3）室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)多依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134）取值，即冬季臥室、起居室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取18℃；夏季臥室、起居室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取26℃，冬夏換氣次數(shù)均取1次/h。（4）送風(fēng)機(jī)設(shè)置：一般根據(jù)需要設(shè)置專用的新風(fēng)機(jī)，安裝在頂層吊頂內(nèi)或者地下室內(nèi)。

鑒于當(dāng)前及農(nóng)村就經(jīng)濟(jì)水平尚處于發(fā)展中的階段，農(nóng)民蓋房機(jī)械化施工的程度并不太高，加上農(nóng)村住宅普遍面積比較大，2015年農(nóng)村居民人均居住住房面積43.9平方米[6]，農(nóng)村住宅層高普遍較高，普遍不低于3.6米，如按1次/h換氣量計(jì)算，人均新風(fēng)量達(dá)158m3/h，而《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189推薦的五星酒店的人均新風(fēng)量最高也只有50m3/h。因此考慮到節(jié)能及滿足使用，農(nóng)村住宅按換氣次數(shù)計(jì)算的新風(fēng)量0.5次/h應(yīng)該是適當(dāng)?shù)模彩亲銐驖M足使用的。

另外眾多實(shí)測及理論模型推算均表明，夏熱冬冷地區(qū)地表下2米深度的地溫已經(jīng)比地表溫度即氣溫夏季低7℃以上，冬季高10℃以上。以上海地區(qū)為例，上海最熱月平均氣溫27.3～27.8℃（7月）、最冷月平均氣溫3.0～3.7℃（1月）[7]，根據(jù)文獻(xiàn)[8]顯示，地表下2m深處，1月份平均地溫15℃，比平均氣溫高11℃～12℃，7月份平均地溫20℃，比平均氣溫低7℃以上，降溫潛力已經(jīng)相當(dāng)可觀。

2.2 土壤-空氣換熱系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的改進(jìn)思路

基于前文分析，文章提出以下系統(tǒng)優(yōu)化方案：（1）針對農(nóng)村住房面積大，氣密性比較差等特點(diǎn)，建議將通風(fēng)換氣次數(shù)由規(guī)范推薦的1次/h降低到0.5次/h；（2）埋地管道內(nèi)的風(fēng)速建議降低到2～3m/s；（3）埋地管的管徑建議以Φ200～Φ250為宜，更有利于換熱。以農(nóng)村地區(qū)戶均4口人、建筑層高3.6m為類，室戶均建筑面積則為4（人/戶）*43.9m2=175.6m2，通風(fēng)換氣量為175.6m2*3.6m*0.5次/h=315m3/h。經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算，選用Φ200的埋地風(fēng)道時(shí)，風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為2.79m/s；選用Φ250的埋地風(fēng)道時(shí)，風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為1.78m/s。完全可以達(dá)到很好的換熱效果。（4）利用全熱交換器取代離心風(fēng)機(jī)，既可以給系統(tǒng)提供動(dòng)力，又可以在需要的時(shí)候回收室內(nèi)余熱，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的。

圖1是改進(jìn)后的土壤-空氣換熱系統(tǒng)與全熱交換器組合給室內(nèi)通風(fēng)換氣的示意圖。如表1所示夏冬各存在兩種工況，表中室內(nèi)溫度T2相關(guān)規(guī)范推薦值為夏季26℃，冬季18℃。當(dāng)然這個(gè)溫度不是規(guī)定值，與經(jīng)濟(jì)水平、生活習(xí)慣（比如長江流域農(nóng)村居民并沒有冬季進(jìn)入室內(nèi)脫掉外套的習(xí)慣）等有關(guān)，通常能接受的夏季室內(nèi)溫度高于26℃，冬季則低于18℃。

3 結(jié)束語

文章通過分析夏熱冬冷的氣候特征及農(nóng)村地區(qū)的建筑現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)水平、施工能力，提出在現(xiàn)有土壤-空氣換熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，減少地埋管的埋深、降低室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)及與全熱交換器結(jié)合的思路。使得土壤-空氣換熱系統(tǒng)在我國廣大農(nóng)村地區(qū)這一歷來對建筑節(jié)能不太重視、監(jiān)管還不太細(xì)致嚴(yán)格的區(qū)域的應(yīng)用更具可操作性，更加方便推廣。

雖然地道風(fēng)的空氣溫濕度不一定能滿足人體的舒適度要求，但地道風(fēng)具有改善空氣質(zhì)量的優(yōu)勢，作為一級預(yù)熱具有很好的節(jié)能效果，應(yīng)用于農(nóng)村住宅是一項(xiàng)發(fā)展前景很好的節(jié)能技術(shù)。但是推進(jìn)土壤-空氣換熱系統(tǒng)在農(nóng)村住宅中的應(yīng)用，乃至推進(jìn)農(nóng)村建筑物的節(jié)能，尚有以下需要改進(jìn)的地方：（1）加強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能的宣傳，目前我國農(nóng)村住宅建造上的投入越來越大，但主要還是集中在對外形、空間分割等的追求上，對建筑物的保溫性能、氣密性能重視不夠。使得建筑物的耗能很大、溫度場不均勻、舒適性能較差。（2）土壤-空氣換熱系統(tǒng)與全熱交換器結(jié)合雖然不能完全替代空調(diào)，但是能大大延長建筑物靠自然通風(fēng)就達(dá)到室內(nèi)舒適的時(shí)間，降低冬夏開啟空調(diào)的能耗，有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（3）有必要有針對性地出臺(tái)農(nóng)村地區(qū)建筑物的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)圖集、推薦技術(shù)措施，做到城鄉(xiāng)有別、應(yīng)地制宜，以便逐步降低農(nóng)村地區(qū)建筑能耗，提高室內(nèi)舒適度。

參考文獻(xiàn)

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