太陽能驅動建筑內部冷熱空氣自然交換系統探討

郝正琦 王月婷 孫少杰 張乙宸

摘要：通過充分利用建筑物內部不同空間內的溫度場存在明顯差異的特點，特別是對存在地下室等低溫環境的建筑物，通過太陽能電力驅動的抽風換氣設備來實現將低溫空氣;向高溫空間正向流動以實現溫度調控的目的，實現零碳排放條件下的室內降溫目標;技術關鍵在于建筑物低溫空氣源的選取與冷卻路徑優化，以及太陽能驅動的空氣循環系統效率的設計和評估等。

關鍵詞：低碳;太陽能;冷熱交換

一、引言

隨著我國日益突出的能源問題，受全球氣候變暖和城市熱島效應影響，夏季已成為電力能源消耗高度集中的時段，而中國目前發電大多仍靠不可再生資源實現供電，而不可再生資源的消耗又會加劇全球氣候變暖速率，夏季已成為電力能源消耗高度集中的時段，這既不利于節能減排理念的順利實施，化石能源的消耗又同時會加劇全球氣候變暖速率。自“十四五”規劃綱要指出“推進能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力。”以來，對資源再利用以及潛在資源以及廢物資源的利用愈發成為相關領域研究的熱點。因此，研究和開發低能耗或無需常規能源的新型室內空氣冷卻循環系統顯得尤為重要。

根據國內外的研究現狀，《公共建筑室內溫度控制管理辦法》指出公共建筑夏季室內溫度不得低于26℃，冬季室內溫度不得高于20℃，本著資源節約和集約利用的原則，以舒適性為目的，現階段查閱的資料中，實現室內溫度下降的手段主要集中在空調系統和溫度控制系統，而在利用建筑自身條件進行低能耗的冷熱交換系統并不多見，且目前各系統都各有弊端。風扇在盛夏時吹出熱風，無法較好的滿足消費者制冷需求;空調效率很高，但消耗能源過度，又會引發溫室效應，形成臭氧層空洞，還會使得空調外機附近溫度上升加劇城市熱島效應，且排水處理不當可能引發污染，帶來的弊端顯而易見。而本作品致力于以低污染低耗能為核心目標，用太陽能驅動電力，且冷熱交換系統的安裝過程簡單，可行性強，在合理操作時能夠起到較好的制冷作用，故應用市場廣闊。

二、工作原理

以清潔能源太陽能作為主要驅動，充分利用夏季晴熱天氣條件下室內溫度與太陽能發電效率都比較高的正相關特征，有效保證空氣循環系統的正常運行，達到節能減排的目的。

利用建筑物內部低溫空間作為進氣源或空氣冷卻通道可以減小對氟利昂等制冷劑的依賴，充分發揮建筑物墻體、地面、土體等的吸熱/蓄熱功能，實現空氣自然冷卻目的。同現有常規制冷手段相比，可顯著降低資源消耗和環境污染。

改變原有空調系統向室內吹氣的循環方式，通過優化設計管道系統，以太陽能電力驅動的抽氣泵作為能源，結合熱空氣輕、冷空氣重的特點，通過將總排氣孔設置在建筑物高點以達到降低空氣循環系統動力源能量消耗的目的，實現空氣正向循環流動和持續降溫。

研究利用建筑物內低溫空間內的空氣作為降溫媒介，充分利用自然冷源，減少制造成本與制冷成本，研究成果具有普適性和明顯的節能減排優勢。

基于太陽能電力驅動的建筑內部冷熱空氣自然交換系統，其本身的太陽能驅動一方面可以大大減少不可再生能源及電力資源消耗，另一方面因較低的耗電避免了因燃燒煤等常規燃料發電帶來的環境污染問題，同時利用建筑自身條件改變熱冷空氣交換避免了空調設備大量資源消耗和潛在污染問題。

三、國內研究現狀

近年來，我國學者對土壤-空氣換熱系統的理論和應用開展了廣泛研究，研究內容主要包括建立理論模型進行數學計算、應用數值模擬研究系統換熱效果開展實驗實測系統性能等方面。

20世紀60年代，我國學者就開始對土壤-空氣換熱系統進行研究。在研究初期，主要采用解析方法進行計算分析，建立地道壁面和空氣換熱的熱平衡關系，通過熱平衡方程推導各項參數，其結果對早期系統設計具有指導意義。

很多學者將土壤-空氣換熱系統與傳統空調系統相結合進行研究，以改善地埋管的埋管面積小、土質條件差、管內空氣品質不好等問題。提出將地埋管出口空氣作為空氣源熱泵的低位熱源，通過模擬與機組性能測試，證明系統換熱性能優于普通空氣源熱泵，制熱量和COP顯著提高，同時改善了冬季結霜問題，在低溫惡劣天氣也能高效運行。李銳等人叫將地埋管與太陽能煙囪結合，采用正交模擬試驗分析了不同因素對系統適用范圍的影響，認為當煙囪高度在2-3m時，系統降溫效果最佳。

四、國外研究現狀

國外對土壤-空氣換熱器的研究起步早于國內，應用也更廣泛先進。以美國為代表的一眾國家于上世紀40年代起陸續開展土壤-空氣換熱系統的相關研究。在計算機仿真模擬方面，國外學者也做了大量研究。Mihalakakou定義了一個因數，利用三維耦合方法提出了新型傳熱傳質模型，同時考慮了主要影響因素，可精確模擬換熱過程在實際研究方面，國外學者注意到了系統本身如氣候條件、管壁材料、管道埋深等因素，并設法在同一實驗內研究其對性能的影響。德國學者Pfafferott對三幢應用土壤-空氣換熱系統的辦公建筑進行實驗，定義了兩種溫度變化率、系統換熱效率比較模型，比較三個系統的影響因素，認為土壤及地表溫度對系統性能有重要作用，管道材料密度則對換熱影響極小。

國外一些學者也開展了大量土壤-空氣換熱系統與其他系統耦合的復合式系統研究。美國學者Li等人將土壤-空氣換熱系統和太陽能煙囪結合以提供建筑所需冷量，依靠太陽煙囪作用使熱空氣一直上浮，將新風補入室內，無需機械裝置和電力驅動，大幅度提升節能性及制冷效果。瑞士學者Hollmuller等人認為，當土壤-空氣換熱系統與熱回收系統耦合時，管道的熱交換效果受到熱回收效率的限制。Sung模擬了土壤-空氣換熱系統與建筑物既有空氣源熱泵結合的形式，證明在高溫潮濕地區，這種系統能顯著降低建筑的制冷能耗。

五、市場調查研究

目前市場上的核心制冷系統存在風扇、空調，土壤源熱泵等，且各有弊端。空調效率很高，但消耗能源過度，又會引發溫室效應，形成臭氧層空洞，還會使得空調外機附近溫度上升加劇城市熱島效應，且排水處理不當可能引發污染;而傳統土壤源熱泵具有熱堆積，對系統設計、運營管理的要求高，且投資較大的問題。本作品充分利用建筑物內低溫區域的空氣作為降溫源，并利用太陽能為空氣冷卻系統設備提供動力，對中底層建筑、工業建筑具備廣泛適用性。全國目前有城市，鄉以及村鎮共39327279家庭戶，其中建筑層數不超過6層的共35750277戶，占全部住戶的90.9%。而在鎮和鄉村中，這個比例更分別高達95.1%和99.7%。在上述建筑中大多具備地下室、低溫大廳等低溫區域，且結合土壤可解決低溫空間自然冷源儲備不足的問題，具備本系統運行的各項環境要求。另一方面，隨著互聯網產業的興起和信息時代的到來，對大數據機房如雨后春筍般建立起來，如何為小空間內集中的電子元器件降溫，并且盡可能減小功耗和減少排放成為一個日益嚴重的問題。由于大數據機房通常具備地下室等低溫區域作為配套設施，滿足本系統適用條件，實現零碳排放條件下的室內降溫目標。

六、結論

基于太陽能電力驅動的建筑內部冷熱空氣自然交換系統，其本身的太陽能驅動一方面可以大大減少不可再生能源及電力資源消耗，另一方面因較低的耗電避免了因燃燒煤等常規燃料發電帶來的環境污染問題，同時利用建筑自身條件改變熱冷空氣交換避免了空調設備大量資源消耗和潛在污染問題。

本作品致力于以零污染低耗能為核心，用太陽能驅動電力，且冷熱交換系統的安裝過程簡單，操作性強，成本低，采用時間控制等策略可以取得顯著的降溫效果，普適性強，故應用市場廣闊，在應用前景方面具有一定的經濟性效益。依托循環結構構建的太陽能制冷裝置可用于炎熱季節下室內降溫，對于具有地下室空間的建筑物降的溫效果更加明顯，對于社會的綠色可持續發展具有重要意義。迎合當今市場和國家政策的最核心需求，既做到極低的污染和消耗，又最大程度滿足了盛夏制冷的需要，在市場競爭中具有不可忽略的顯著優勢。本設計以清潔作為主要動力驅動方式，利用室內新型換風系統和建筑物內部低溫冷源，可大大降低夏季室內降溫能耗;本空氣循環系統具有噪音小，效率高，應用范圍廣等優點，實現了建筑物內部氣流正向循環降溫，具有顯著的經濟效益和應用前景。

參考文獻

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作者簡介：

郝正琦（2001-），男，漢族，山東濱州人，山東交通學院本科在讀，金融學方向。

基金項目：

2021年山東省大學生實踐創新訓練項目“基于太陽能電力驅動的建筑內部冷熱空氣自然交換”（202111510197）。