土壤-空氣換熱建筑新風系統運行性能測試研究

吳俊濤，趙冰，湛文賢，趙靈，王華軍

（1．河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401；2.唐山市建筑節能辦公室，河北唐山 063000）

土壤-空氣換熱建筑新風系統運行性能測試研究

吳俊濤1，趙冰2，湛文賢2，趙靈2，王華軍1

（1．河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401；2.唐山市建筑節能辦公室，河北唐山 063000）

建立了一套基于土壤-空氣換熱的建筑新風系統，測試分析了整個系統在夏季、冬季以及過渡季的地下換熱特性和室內空氣品質狀況．結果表明，該系統運行穩定可靠，室內最高CO2濃度控制在6×104～7×104，能夠有效保證室內空氣品質的要求．在冬夏季典型運行工況下，單位傳熱面積的地下換熱量分別為90.9W/m2和44.2W/m2，日平均換熱效率分別為0.84和0.72．上述試驗結果對于類似氣候地區的系統設計與優化具有實際指導意義．

土壤-空氣換熱器；新風；室內CO2濃度；換熱量

0 引言

隨著城鎮生活水平的提高，人們對建筑室內空氣品質提出了更高的要求，由此引起的新風處理能耗問題也逐漸倍受關注．目前，采暖空調能耗占建筑能耗的比例約65%左右，其中新風處理能耗占20%～30%[1]．因此，在保證室內空氣品質基礎上，最大程度降低新風能耗已成為實現建筑節能的有效技術手段之一．

土壤-空氣換熱器的基本思想是充分利用淺層地表土壤來預冷或預熱新風，以達到降低新風負荷、節約能源的目的．國外從上世紀90年代左右開始研究基于土壤-空氣換熱器的建筑新風技術，并先后應用到各類溫室、住宅以及公共建筑中．例如，Trombe等[2]研究表明，該技術至少可節省10%的冬季新風預熱能耗．Kumar等[3]在熱帶地區的結果表明，當室外氣溫為42℃、土壤溫度為24℃時，長度為80m的土壤-空氣換熱器能夠保證16m2面積的房間夏季維持在27.8℃，平均冷卻能力為19 kW，折合單位傳熱面積的地下換熱量為92.2W/m2．在理論研究方面，目前主要偏向于土壤-空氣換熱器模型改進優化，包括埋深、管間距、管長、風速等對傳熱性能的影響[4-6]．但在實際應用中，上述參數優化往往取決于當地的氣候條件、土壤特性、圍護結構和負荷特性，不可一概而論．

隨著當前超低能耗建筑理念的推廣，土壤-空氣換熱新風技術優勢正變得日趨明顯．例如，在德國，土壤-空氣換熱新風系統已經成為低能耗被動房設計的標準配置，而且還采用了高效熱回收技術，換熱效率達90%．最近，Ahmed等[7]分析了英國氣候條件下，土壤-空氣換熱器用于建筑低能耗供冷的節能潛力．Fabrizio等[8]分析了意大利氣候條件下應用土壤-空氣換熱系統的運行性能．Zukowski等[9]評估了土壤-空氣換熱系統應用于波蘭住宅供冷的節能潛力．相比而言，國內在土壤-空氣換熱技術研究方面相對薄弱，尤其缺乏工程應用實例[10-11]．

基于上述背景，本課題組嘗試建立了一套土壤-空氣換熱建筑新風試驗示范系統，截至目前實際運行效果良好．本文旨在通過不同季節的實測運行數據，初步評價地下換熱、室內CO2濃度等變化特性，總結設計經驗，為進一步系統優化和推廣應用提供一定的參考依據．

1 試驗系統

本文土壤-空氣換熱新風系統位于唐山市某辦公建筑院內，為兩層辦公區域（330m2）提供新風，單位人員新風量為30m3/h．圖1給出了該新風系統的示意圖，主要由室外風機、雙層空氣過濾器、土壤-空氣換熱器、凝水集中器、室內風管、風量調節閥、雙層百葉風口等組成．土壤-空氣換熱器采用高密度聚乙烯管（HDPE），呈水平布置，平均埋深為2.5 m，其中主干管直徑250mm，管長約11m，兩支路管徑和長度分別為200mm和50m，間距為1.5m．換熱管周圍采用細砂密實回填，然后覆土機械夯實，最后地面鋪設一層5 cm厚裝飾磚．室外風機采用離心式，全壓600Pa，額定風量為1200m3/h，額定功率為0.9 kW．考慮到地下管路可能出現的除濕工況，在新風入戶前設置了凝水集中器．當凝水槽中的冷凝水達到一定量時，可以通過潛水泵將其排至污水井中．整個新風系統采用間歇工作模式，由控制器自動完成啟停，其中運行時間設定為8∶00～18∶00，周末和節假日不運行．此外，下雨天時由管理人員手工關閉新風系統．

土壤-空氣換熱器的換熱量計算如下

其中：q為換熱量，W；為空氣密度，kg/m3；G為新風風量，m3/h；cp為空氣比熱，kJ/kg K1；ti和to分別為地下換熱器進出口的空氣溫度，℃．根據上述定義，為正值表示土壤冷卻空氣（如夏季），為負值表示土壤加熱空氣（如冬季）．

圖1 土壤-空氣換熱新風系統Fig.1 Ground-air heatexchange fresh airsystem

其中ts為地下2.5m處土壤初始溫度，℃．

上述新風風量通過AM-4204HA型電熱線風速計測量風速獲得，量程為0.2～20m/s，精度±5%，實測平均風量為1 113.5m3/h．地下熱熱器進出口空氣溫/濕度采用AMT-131型記錄儀，測量范圍分別為20～70℃和0%～100%，精度分別為±0.5℃和±5%．地下2.5m的土壤溫度采用Pt1000傳感器測量，與換熱管水平距離約5m，實驗前采用標準恒溫水浴進行了標定，精度為±0.1℃．

室內分析以某典型房間（205#）為研究對象，房間尺寸為3.6m×4.8m，雙層百葉風口尺寸為0.12m× 0.12m，安裝高度為2.8m．室內空氣溫、濕度采用AMT-131型記錄儀，CO2濃度（體積分數）采用TELARE7001型測定儀，測量范圍為0～1×102，精度為±5%．室內參數的測點位置見圖2，距離地面約1.2m．根據我國《室內空氣中二氧化碳衛生標準》（GB/T17094-1997）規定，室內CO2濃度應小于1×103（2000mg/m3）．世界衛生組織（WHO）、美國ASHRAE協會等機構推薦CO2濃度1×103（或1800mg/m3）作為室內人體長期接觸的可接受濃度，并被世界多數國家采納為室內空氣質量標準濃度限值．因此，本文分析中以1×103作為室內CO2濃度限值．

2 結果與討論

2.1 無新風時的室內CO2狀況

圖3以2012年8月3日下午為例，給出了室內CO2濃度變化情況．中午12∶30時關閉新風系統和室內門窗均，1名人員保持日常辦公狀態（除測試外），且無抽煙情況．可以看出，CO2濃度呈快速上升趨勢，2 h后濃度已超過9×104，至16∶00時達到1 3×104以上，超出可接受限值約1.4倍．平均而言，上述CO2濃度增加速率為2.71×104h1，且會隨著室內人數增多而變大．根據日常實際觀察，辦公人員平均每2～3 h就需通風換氣，但在室內空調啟動條件下，這往往會增大冷負荷和運行電耗，不利于空調節能．此外，由于建筑緊鄰主干道，受來往車輛排放氣體、灰塵影響，自然通風換氣效果也不佳．

2.2 夏季新風運行工況分析

圖4給出了夏季典型工況下的運行測試數據（2012年8月10日）．可以看出，由于土壤溫度短期變化不明顯，每天的地下換熱量主要取決于室外溫度狀況．在本例中，當室外空氣平均溫度和相對濕度分別為32.2℃和49.6%時，出口空氣溫度和相對濕度分別保持在24℃和80.1%左右．由于土壤溫度（20.7℃）略高于濕空氣露點，上述空氣狀態變化基本沿著等濕線進行，其中地下平均換熱量為3.16 kW，日平均換熱效率為0.72，折算為單位傳熱面積的地下換熱量為44.2W/m2，與前述Kumar等[3]的夏季實驗結果相比偏低約52%，這主要與二者氣候條件下土壤-空氣傳熱溫差存在差異有關．事實上，后者的夏季土壤-空氣傳熱溫差更傾向于本文的冬季運行工況．

圖2 測試房間及測點布置簡圖Fig.2 Diagram of the test room and itsmeasuring points

圖3 無新風時房間CO2濃度變化曲線Fig.3 Variationsof CO2underoperationw ithout freshair

圖4 夏季典型工況下的運行測試數據Fig.4 Test results under operation in summer

室內CO2濃度主要受人員活動新陳代謝影響，呈現出波動變化規律．在本例中，室內活動人員為1人，早晨初始CO2濃度為3×104，整個上午濃度持續增加，10∶00以后基本穩定在6.2×104；中午人員離開期間，CO2濃度下降至4.8×104左右，隨后繼續呈緩慢增加趨勢，至15∶30時穩定在6.5×104．整個新風工作期間，室內不開啟空調，平均溫度為27.6℃．由此可見，經過室外新風經過濾、與土壤換熱處理后，不僅能夠滿足室內空氣品質要求，而且能夠有效降低室內溫度，從而減少空調開啟時間，有利于節能．

實驗過程中還發現，當室外空氣溫濕度較大時（如超過70%），地下換熱器出口空氣相對濕度容易接近或達到飽和，甚至析出凝結水．這種情況主要出現在夏季桑拿天和降雨天氣前夕，此時室內相對濕度會超過40%～65%舒適度范圍，人員往往感覺潮濕，需要通過定時開啟空調進行除濕，這在一定程度上會削弱新風系統的總體節能效果．

圖5 冬季典型工況下的運行測試數據Fig.5 Testresultsunderoperation inw inter

2.3 冬季新風運行工況分析

圖5給出了冬季典型工況下的運行測試數據（2012年12月8日）．可以看出，地下2.5m深的土壤溫度降至13.4℃，與室外空氣的溫差（約20℃）遠高于夏季，從而地下換熱量也明顯增大．在本例中，當室外空氣平均溫度和相對濕度分別為7.2℃和21.1%時，出口空氣溫度和相對濕度分別保持在10.1℃和5.2%左右，地下平均換熱量為6.5 kW，日平均換熱效率為0.84，折算為單位傳熱面積的地下換熱量為90.9 W/m2，與前述Kumar等[3]的實驗結果比較接近，這進一步表明土壤-空氣的平均換熱溫差是系統設計需考慮的重要參數之一，且與當地氣候特征狀況密切相關．

室內CO2濃度變化規律與夏季相似，室內活動人員仍為1人，其中早晨初始CO2濃度為3.48×104，整個上午濃度逐漸增加，10∶00以后基本穩定在6.75×104；中午人員離開期間，CO2濃度下降至5.7×104左右，隨后繼續呈逐漸增加趨勢，至16∶00時穩定在7.3×104，低于前述室內CO2濃度限值指標．整個新風工作期間，室內平均溫度為21.6℃，能夠滿足辦公建筑采暖溫度要求．但需特別說明的是，由于土壤-空氣換熱器出口空氣相對濕度較低，會造成室內人員長時間辦公時感覺略干燥，這也是目前民用建筑冬季采暖期間普遍存在的熱舒適性問題，往往借助輔助加濕方式予以解決．2.4過渡季新風運行工況分析

圖6給出了過渡季典型工況下的運行測試數據（2012年10月13日）．可以看出，地下2.5m深的土壤與室外空氣的溫差已經小于5℃，因此二者之間的換熱開始大幅衰減．在本例中，當室外空氣平均溫度和相對濕度分別為20.0℃和16.5%時，出口空氣溫度和相對濕度分別保持在20.9℃和15.4%左右，地下平均換熱量為0.37 kW，日平均換熱效率為0.61．因此，地下換熱器在過渡季中的預熱（冷）作用表現不明顯．

室內CO2濃度變化規律依然與冬、夏季相似，室內活動人員保持1人，其中早晨初始CO2濃度為3.85×104，整個上午濃度逐漸增加，10∶00以后基本穩定在5.9×104；中午人員離開期間，CO2濃度下降至5.31×104左右，隨后繼續呈逐漸增加趨勢，至16∶00時穩定在6.62×104，低于前述室內CO2濃度限值指標．整個新風工作期間，室內平均溫度為22.2℃，舒適度良好．

實踐表明，上述土壤-空氣換熱新風系統自2012年7月以來，運行狀況穩定可靠，室內最大CO2濃度控制在6×104～7×104，有效地保證了室內空氣品質．圖7進一步給出了2013年4月至8月的連續運行測試數據．可以看出，除過渡季的進出口空氣溫差較小以外，整個夏季的土壤-空氣換熱性能良好，其中7月4日室外平均氣溫達34.9℃，地下出口平均氣溫為22.5℃，換熱量達到最高值4.6 kW，而8月的平均地下換熱量也保持在2.1 kW，出口空氣平均溫度為25.1℃，有利于降低室內空調啟動時間．從系統優化角度，Hollmuller[12]曾提出采用G/A比值作為土壤-空氣換熱器設計與評價的參考依據，其中A為地下傳熱面積（m2），并建議當地下管內風速為1m/s、2m/s和4 m/s時，G/A比值分別取5、7和10．而在本文系統中，G/A平均值為15.6，其中平均風速為5.8m/s，略高于Hollmuller在相同風速下的分析結果（即G/A=13）．盡管如此，在當前運行條件下，系統能夠保持相對較高的換熱效率，這對于類似氣候地區的土壤-空氣換熱新風系統設計具有一定的實際指導意義．

此外，需要特別提出的是，土壤-空氣換熱新風系統首要保證的是室內空氣品質，所以地下換熱管中潛在的霉菌滋生問題值得引起關注．Johansson等[13]實驗表明，常溫下大多數霉菌在空氣相對濕度持續保持90%～95%時生長速度較快．因此，在設計土壤-空氣換熱器時，需充分考慮當地的夏季氣候條件，控制合理的地下出口空氣溫度，盡可能避免系統在高相對濕度環境下長時間運行（如連續一周以上）．

圖6 過渡季典型工況下的運行測試數據Fig.6 Test resultsunderoperation in transition season

圖7 長期運行測試數據一覽（4月15日～8月15日）Fig.7 Test results under long-term operation from April15 to August15

3 結論

1）在唐山氣候條件下，建立了一套基于土壤-空氣換熱的建筑新風試驗示范系統，分析了系統在夏季、冬季以及過渡季的地下換熱特性和室內空氣品質狀況．

2）整個系統運行穩定可靠，室內最高CO2濃度控制在6×104～7×104，能夠有效保證室內空氣品質．在冬夏季典型運行工況下，單位傳熱面積的地下換熱量分別為90.9W/m2和44.2W/m2，日平均換熱效率分別為0.84和0.72．

3）當夏季室外空氣溫、濕度較高時，地下換熱器出口空氣容易達到飽和，從而引起室內潮濕感覺，需要定時開啟空調進行除濕．建議充分考慮當地的夏季氣候條件，避免系統在高相對濕度環境下長時間連續運行，盡可能減小霉菌滋生帶來的負面影響．

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[責任編輯 田豐]

Teststudy of abuilding-fresh air-system using earth-air heatexchangers

WU Jun-tao1，ZHAO Bing2，ZHANWen-xian2，ZHAO Ling2，WANGHua-jun1

(1.Schoolof Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Building Energy Conservation Office of Tangshan,HebeiTangshan 063000,China)

Thispaperstudies thebuilding-fresh air-system usingearth-airheatexchangers(EAHEs),and theheattransfer characteristicsof EAHEsaswellas theindoorairquality(IAQ)during theoperation period insummer,winterand transition seasonsw ere tested and analyzed.Results show that the present system was reliable.Themaximum indoor CO2concentration w as reducedw ithin the rangeof6×104～7×104whichmeets the IAQ requirements.Fora typicaloperation condition,the heat transfer rateof per internal surfacearea of EAHEs reached 90.9W/m2in w inter and 44.2W/m2in summer,and the corresponding daily average heat-transfer efficiency was 0.84 and 0.72,respectively.The present resultsabove can be usefulguides for the system design and further optim ization in areasw ith sim ilar climate.

earth-airheatexchanger;fresh air;indoor CO2concentration;theheat-transfer rate

TK 521

A

1007-2373(2014)01-0082-06

2013-11-10

河北省“三三三人才”高層次人才資助項目

吳俊濤（1988-），男（漢族），碩士生．通訊作者：王華軍（1975-），男（漢族），副教授，博士，Email：huajunwang@126.com．