一種農宅建筑節能通風換氣系統設計探究

趙金秀 安貝旸 馬云飛 劉學友 王爍楠 劉 祿

（唐山學院，河北 唐山063000）

我國大部分農村建筑，沒有集中供暖和供冷系統，農戶夏季多采用分體空調進行室內供冷，冬季多采用燃氣或電鍋爐等取暖，多數農戶在使用供冷和取暖設備時，往往緊密門窗，減少室外空氣的進入，以降低冷熱消耗，但這種方式因為空氣不流通造成室內空氣質量下降，尤其長時間使用時，空氣質量更差，引起不舒適。如果直接開窗通風換氣，又會帶來冷熱負荷的增加，同時由于室外空氣的溫度偏離室內空氣值較多，也會給人帶來溫度波動的不舒適。淺層地熱能應用是太陽能的一種間接利用方式[1]，作為可再生的清潔能源收到人們越來越多的關注。為解決通風換氣又不增加能耗，項目組提出了一種農宅建筑節能通風換氣系統。

1 系統的組成和工作原理

1.1 系統組成

一種農宅建筑通風換氣系統組成見圖1 所示。系統由地熱通風部分和屋頂太陽能光伏板部分組成。其中地熱通風部分主要包括進風口、引風機、通風管、地埋管換熱器、空氣過濾器、送風機、送風口等；屋頂太陽能光伏板部分主要包括太陽能光伏板，逆變控制一體機、蓄電池組和連接導線等。

圖1 通風換氣系統的組成

1.2 系統工作原理

夏季，室外高溫空氣由進風口進入，通過地埋管換熱器被土壤冷卻，溫度降低后被送風機通過送風口送入農宅房間；冬季，室外寒冷的空氣由進風口進入，通過地埋管換熱器被土壤加熱，溫度升高后送入農宅房間。即使是在室外空氣污染高（如霧霾天氣）的天氣狀況下，因為管道內設有空氣過濾器也能保證通入室內的空氣是新鮮的。

系統送引風機的電能由設置在屋頂的太陽能光伏板發電系統提供，太陽能光伏板的產生的電能通過太陽能控制器進入蓄電池組，給送引風機提供電能，蓄電池組多余的電能還可用于農宅房間的照明等生活用電的供應。

2 地埋管換熱器設計和敷設

地埋管換熱器直接影響農宅通風換氣系統的換熱效果，所以地埋管換熱器的設計選擇尤為重要。

2.1 地埋管換熱器管材

地埋換熱管道應具備、耐腐蝕、換熱好、使用壽命長等特點。金屬管材相比一些研究中采用鋼筋混凝土管或塑料管的換熱效果要好，同時為增加換熱面積，和換熱效率，且波紋管具有良好的彈性和韌性，便于施工；圓管相對矩形風管更能承壓且不易變形。綜合考慮選用不銹鋼波紋圓管。

2.2 地埋管換熱器敷設方式

由于空氣低的熱導率，需要較長的管線敷設長度。由于庭院長度有限，設計地埋管換熱器為水平多排管并聯形式，多根排管用兩端的集箱連通，與通風管連接，見圖2。同時將一根粗管變成多根細管與土壤換熱，可提高換熱系數。

2.3 通風管和地埋管換熱器管徑規格計算

圖2 水平多排管并聯地埋管換熱器

以唐山某典型農宅建筑為例，其主要房間面積約35m2，根據《住宅建筑規范》（GB 50386-2005）中住宅應能自然通風，每套住宅的通風開口面積不應小于地面面積的5%[2]，針對農村住房面積大、氣密性差等特點，建議將通風換氣次數由規范推薦降為一半[3]，因此取通風開口面積不應小于地面面積的2.5%，估算通風量約0.375m3/s。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）中住宅低速風管風速要求≤6m/s[4]，取3m/s，得通風管橫截面積約0.125m2，直徑取200mm，介于庭院的進深考慮，通風管長度取8～10m。

考慮地埋管換熱器與土壤的換熱，風速較小風管的尺寸增大，投資和占地增加，風速較大降低接觸系數增加流動阻力，能耗增大，所以合適的風速宜為2m/s；同樣埋管管徑也要平衡阻力和換熱影響。

根據管內氣流流速、土壤層平均溫度以及通風進口空氣溫度等，根據流體在管內換熱理論計算，可求得經過地埋管換熱系統后的送風溫度，得到空氣溫降隨地埋管換熱器長度的變化，如圖3 所示。

圖3 空氣溫降（升）隨地埋管長度變化

基于庭院場地施工和投資，綜合考慮取管徑為100mm 不銹鋼波紋管10 根，每個4m，管間距200mm。

3 地埋管換熱系統的埋設深度

根據管內氣流流速、通風管與地埋換熱管長度、不同深度土壤層平均溫度以及通風進口空氣溫度等，根據流體在管內換熱理論計算，可求出經過地埋管換熱系統后的送風溫度，得到空氣溫降（升）隨敷設深度變化，如圖4 所示。

圖4 空氣溫降（升）隨地埋管敷設深度變化

因為室內有冷熱源的情況下通風溫度標準可降低，綜合考慮地層溫度隨深度變化、經濟性及便于施工，取通風管和地埋換熱器敷設深度為4m。

通過上述分析和理論計算，該系統在夏季室外空氣溫度為28～35℃情況下，能夠使送風溫度降至24～29℃；冬季在室外空氣溫度為-8～10℃情況下，可使送風空氣溫度升高至0～15℃。相比直接通入室外空氣可明顯減少空調或采暖能耗。

結束語

一種農宅建筑節能通風換氣系統，不僅可以解決通風換氣問題，還可以節省夏季空調和冬季采暖能耗，同時提高房間的舒適性，更可以在室外空氣污濁的天氣下進行凈化過濾將新鮮空氣送入房間。并且系統便于施工和安裝，利用太陽能作為動力，不消耗礦物能源，不產生污染，系統運行安全可靠，具有很好的節能環保效益，符合未來新農村發展的理念。