地熱恒溫空氣交換系統(tǒng)

鄒 穎 陳 垚 陳曉倩 翟志東

（長安大學環(huán)境科學與工程學院 陜西 西安 710054）

當前室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)設施主要有空調(diào)，暖氣，熱泵等，并且技術(shù)已經(jīng)達到相當高度，能基本滿足人們?nèi)粘Ｉ顚κ覂?nèi)環(huán)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(diào)病的產(chǎn)生；目前使用的制冷劑對人體和環(huán)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(diào)造成人體生理的紊亂；室內(nèi)外溫差過大，引起人體不適。室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用，確實改善了室內(nèi)環(huán)境，但是由于過分強調(diào)控溫效果而使室內(nèi)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(huán)境問題。并且當前控溫裝置耗能之大，對環(huán)境的危害卻違背了可持續(xù)發(fā)展的理念。

地熱恒溫空氣交換系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)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(jīng)過升降溫度后導入到室內(nèi)，盡量減少能耗，維持室內(nèi)空氣的新鮮程度，并盡可能減少對環(huán)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(huán)境的負面影響呢。

地熱恒溫空氣交換系統(tǒng)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(nèi)終端設備釋放到室內(nèi)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(xiàn)室內(nèi)溫度的下降。因此，本系統(tǒng)不僅可以保持室內(nèi)空氣新鮮，還可以實現(xiàn)空調(diào)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(qū)，采用過長的直線型管道顯然是不經(jīng)濟也是不切實際的。所以本系統(tǒng)采用螺旋管道，并將管道表面設計成肋形以增強換熱，有規(guī)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(qū)，室外的空氣濕度無法滿足人體需求，在室內(nèi)氣體出口處安裝加濕裝置；為了保證材料絕對環(huán)保，本系統(tǒng)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(tǒng)的通風空調(diào)方式——混合通風的問題：室內(nèi)的污染物被“稀釋”，到達工作區(qū)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(qū)（呼吸區(qū)），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(nèi)，時時刻刻處于舒適的環(huán)境中，改善呼吸區(qū)的空氣品質(zhì)。

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

空氣經(jīng)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(jù)半無限大物體的瞬態(tài)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(guān)系。這里截取部分圖表。

土壤溫度隨時間變化關(guān)系

模型進行大量的數(shù)據(jù)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(nèi)，達到可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)，并且盡可能降低能耗，對環(huán)境不造成污染，我們可以認為，本方案已經(jīng)完成了預定目標。

該方案經(jīng)過驗證之后切實可行，并且不會產(chǎn)生二次污染。運用同樣的思路與方法，結(jié)合不同地區(qū)的土壤環(huán)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(tǒng)得到更大范圍的使用，我們在可以更大限度的降低室內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)給環(huán)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(tǒng)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(huán)保，減少能源消耗，符合低碳生活的理念。

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