土壤—空氣換熱與室內全熱交換器復合系統在夏熱冬冷地區農村住宅中的應用

摘 要：文章在現有土壤-空氣換熱系統理論研究及實際工程應用的基礎上，針對夏熱冬冷地區氣候及淺層地溫的特征，結合農村地區的經濟水平和施工能力，提出土壤空氣換熱系統與全熱交換器結合給室內通風、空調的思路，期望能在促進農村地區建筑物的節能及室內舒適性的提高方面起到一定的作用。

關鍵詞：農村住宅；土壤-空氣換熱；全熱交換器；節能

引言

清華大學建筑節能研究中心指出，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]，其中北方城鎮供暖、公共建筑（不含北方城鎮供暖）、城鎮住宅（不含北方城鎮供暖）、農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度發現農村住宅總能耗及戶均能耗逐年遞增。

文章試圖在現有的土壤-空氣換熱系統（EAHES），在降低建筑能耗的研究與應用基礎上，進一步討論該系統在夏熱冬冷地區農村住宅的應用及改進措施。

1 夏熱冬冷農村地區區域特性及土壤-空氣換熱系統的介紹

1.1 夏熱冬冷地區氣候分析

夏熱冬冷地區的顯著特點是夏天特別炎熱，冬天較為寒冷。一般7月份的氣溫要比同緯度其他地區高出2℃左右。由于緯度較低，夏天太陽輻射強烈，而從太平洋上吹來的涼風，又受到東南丘陵的阻擋，因而往往是靜風天氣為主。在冬季，北極和西伯利亞寒潮頻繁南侵，到此地區后，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，通常達到73%～83%，因而感到陰涼寒冷。

1.2 農村住宅現狀

隨經濟條件的不斷好轉，目前我國處于建設旺盛期，每年建成的房屋面積高達16億～20億m2，其中農村住宅約7億～8億m2，但由于農戶多數缺少節能觀念，所建住宅只追求造型、立面、面積、層高等方面的要求，很少經過專業設計，加上建筑施工人員普遍情況專業素質不夠，往往只憑經驗施工。因此，許多農村住宅施工質量一般，存在構造不合理、氣密性不好等諸多問題，多數不能滿足國家有關建筑設計規范的要求。結果造成盡管村民對能源費用支出增加，但建筑室內的熱環境改善卻極為有限，能源浪費嚴重。

1.3 土壤-空氣換熱系統介紹

土壤-空氣換熱系統是指利用蓄存在土壤中的地熱能冷卻或加熱室外空氣（或室內回風），并由機械送風或誘導式通風將處理后的空氣送人室內，以改善室內熱環境。它相當于一臺土壤-空氣熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱能量的儲存作用來降低建筑物的空調采暖能耗。一般由進風口部分、地埋管換熱部分和出風口部分三部分組成。地道風降溫技術作為一種已應用幾十年的建筑通風節能技術，早期主要應用于禮堂、影院、工業廠房等大空間建筑，而近年來通過深入的理論及實踐研究，已逐漸將其廣泛應用到公共建筑項目中。

2 土壤-空氣換熱與室內全熱交換器復合系統在夏熱冬冷地區農村住宅中的應用

2.1 土壤-空氣換熱系統國內外研究及應用現狀及數據分析

國內外從上世紀90年代開始日益重視對土壤-空氣換熱新風系統進行研究。Wontug Son等[3]通過工程的實測數據指出，該系統相比傳統空調可以大幅度的減少新風負荷，每年至少節約12萬日元的運行費用。當前土壤-空氣換熱系統實際應用及理論計算方面主要有以下特點：（1）埋地風管埋深：埋深深度取決于當地地層溫度變化，一般國內常用案例埋深為地表下3～4m，有的深達6m[4]。（2）埋地風管一般選用HDPE管，管徑一般取Φ250～Φ350，風速一般取2～5m/s[5]。（3）室內設計參數多依據夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ134）取值，即冬季臥室、起居室室內設計溫度取18℃；夏季臥室、起居室室內設計溫度取26℃，冬夏換氣次數均取1次/h。（4）送風機設置：一般根據需要設置專用的新風機，安裝在頂層吊頂內或者地下室內。

鑒于當前及農村就經濟水平尚處于發展中的階段，農民蓋房機械化施工的程度并不太高，加上農村住宅普遍面積比較大，2015年農村居民人均居住住房面積43.9平方米[6]，農村住宅層高普遍較高，普遍不低于3.6米，如按1次/h換氣量計算，人均新風量達158m3/h，而《公共建筑節能設計標準》GB50189推薦的五星酒店的人均新風量最高也只有50m3/h。因此考慮到節能及滿足使用，農村住宅按換氣次數計算的新風量0.5次/h應該是適當的，也是足夠滿足使用的。

另外眾多實測及理論模型推算均表明，夏熱冬冷地區地表下2米深度的地溫已經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]，根據文獻[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，降溫潛力已經相當可觀。

2.2 土壤-空氣換熱系統在夏熱冬冷地區的改進思路

基于前文分析，文章提出以下系統優化方案：（1）針對農村住房面積大，氣密性比較差等特點，建議將通風換氣次數由規范推薦的1次/h降低到0.5次/h；（2）埋地管道內的風速建議降低到2～3m/s；（3）埋地管的管徑建議以Φ200～Φ250為宜，更有利于換熱。以農村地區戶均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，通風換氣量為175.6m2*3.6m*0.5次/h=315m3/h。經過進一步計算，選用Φ200的埋地風道時，風道內風速為2.79m/s；選用Φ250的埋地風道時，風道內風速為1.78m/s。完全可以達到很好的換熱效果。（4）利用全熱交換器取代離心風機，既可以給系統提供動力，又可以在需要的時候回收室內余熱，達到進一步節能的目的。

圖1是改進后的土壤-空氣換熱系統與全熱交換器組合給室內通風換氣的示意圖。如表1所示夏冬各存在兩種工況，表中室內溫度T2相關規范推薦值為夏季26℃，冬季18℃。當然這個溫度不是規定值，與經濟水平、生活習慣（比如長江流域農村居民并沒有冬季進入室內脫掉外套的習慣）等有關，通常能接受的夏季室內溫度高于26℃，冬季則低于18℃。

3 結束語

文章通過分析夏熱冬冷的氣候特征及農村地區的建筑現狀、經濟水平、施工能力，提出在現有土壤-空氣換熱系統的基礎上，減少地埋管的埋深、降低室內通風換氣次數及與全熱交換器結合的思路。使得土壤-空氣換熱系統在我國廣大農村地區這一歷來對建筑節能不太重視、監管還不太細致嚴格的區域的應用更具可操作性，更加方便推廣。

雖然地道風的空氣溫濕度不一定能滿足人體的舒適度要求，但地道風具有改善空氣質量的優勢，作為一級預熱具有很好的節能效果，應用于農村住宅是一項發展前景很好的節能技術。但是推進土壤-空氣換熱系統在農村住宅中的應用，乃至推進農村建筑物的節能，尚有以下需要改進的地方：（1）加強農村地區建筑節能的宣傳，目前我國農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-空氣換熱系統與全熱交換器結合雖然不能完全替代空調，但是能大大延長建筑物靠自然通風就達到室內舒適的時間，降低冬夏開啟空調的能耗，有很大的經濟效益和社會效益。（3）有必要有針對性地出臺農村地區建筑物的節能標準、標準圖集、推薦技術措施，做到城鄉有別、應地制宜，以便逐步降低農村地區建筑能耗，提高室內舒適度。

參考文獻

[1]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2015[R].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2]江億，彭琛，胡姍.中國建筑能耗的分類[J].建設科技，2015，14：22-26.

[3]Wontug Son，Hideki Tanaka.Study on fresh air load reduction system by using heat exchange with earth fJJ.Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2001，2（1）：41-48.

[4]趙蓉，房志勇.農村住宅兩種地埋管降溫方法比較研究[J].建筑節能，2011（5）：12-14.

[5]楊秀金，杜世元.埋地新風風管換熱節能效果探討[J].暖通空調，2013（7）：16-19.

[6]寧吉 .以消費升級為導向加快推進供給側結構性改革[J].經濟日報，1996.

[7]嚴濟遠，徐家良.上海氣候[M].北京：氣象出版社，1996.

[8]DGTJ08-2119-2013.地源熱泵系統工程技術規程[S].