程海峰， 張 舉

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與土壤接觸，一定深度范圍內(nèi)土壤良好的熱穩(wěn)定性使地下空間具有“冬暖夏涼“的特性；充分利用地下空間這一部分能量將會(huì)為建筑物節(jié)能做出貢獻(xiàn)。筆者查閱大量文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際工程情況，提出地下空間能量利用的做法，以供參考。

1 地下建筑概況

交通大廈位于安徽省合肥市，地下共有5層。夾層周圍為下沉廣場(chǎng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與空氣接觸；－1層至－4層圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與土壤接觸。夾層、－1層為商場(chǎng)，建筑面積分別為1830m2、8245m2其余三層全部為車庫，面積分別為5100m2、5500m2、5500m2。

2 空氣能利用的構(gòu)想

由于土壤的蓄熱能力，地溫隨著地表深度的增加而衰減和延遲。在一定深度范圍內(nèi)，地溫為一個(gè)常數(shù)。并且，這部分土壤溫度冬季比室外溫度高，夏季比室外溫度低。對(duì)于這部分地下空間這種“冬暖夏涼“的特性的利用，前人已有了大量的研究工作，主要有地道風(fēng)降（升）溫技術(shù)［1］及基于地道風(fēng)的空氣源熱泵技術(shù)［2］。地道風(fēng)降（升）溫是指直接將空氣直接送入地道或采用地埋管的方式，通過空氣與土壤的熱量交換達(dá)到降（升）溫的目的，相當(dāng)于一臺(tái)空氣－－土壤的熱交換器。而基于地道風(fēng)的空氣源熱泵技術(shù)主要是利用地道空間內(nèi)空氣作空氣源熱泵的低位熱源，與置于室外的空氣源熱泵相比，熱泵效率將會(huì)得到提高。傳統(tǒng)地道風(fēng)系統(tǒng)是直流式系統(tǒng)，直接利用空氣與土壤換熱后的能量。而交通大廈車庫周圍土壤傳遞的能量一部分被車庫通風(fēng)帶走，考慮到汽車尾氣的存在，這部分能量不能直接加以利用，而是排放到室外，余下部分才是可供利用的能量，這是與傳統(tǒng)地道風(fēng)研究的不同之處。基于此，我們擬采用第二種方式，即把車庫內(nèi)空氣作為空氣源熱泵的低位熱源。通過分別計(jì)算得到車庫周圍土壤可以提供冷、熱量的能力及商場(chǎng)所需要的冷熱負(fù)荷并進(jìn)行比較，不足部分由地上建筑的冷、熱源附帶解決。

3 計(jì)算不同室內(nèi)溫度條件下地下車庫空間可提供給空氣源熱泵的能量

3．1 計(jì)算思路

土壤溫度的年振幅隨著深度的增加而減小，在高緯度地區(qū)年振幅消失于20～25m處，中緯度消失于15～20m處［3］，這部分區(qū)域也就是土壤的恒溫層。合肥位于北緯31度52分，屬于中緯度地區(qū)，我們可以近似認(rèn)為在15～20m處土壤為恒溫。文獻(xiàn)［4］從能量守恒的角度出發(fā)，證明恒溫層的溫度等于當(dāng)?shù)乜諝饽昃鶞囟取＝煌ù髲B－4層標(biāo)高為－25m，在計(jì)算過程我們可近似認(rèn)為這部分地下空間土壤源溫度恒定為合肥地區(qū)年平均氣溫15．8℃［5］。

恒溫層處土壤溫度冬季比室外溫度高，夏季比室外溫度低［6］；冬季土壤會(huì)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳給室內(nèi)熱量，夏季室內(nèi)熱量會(huì)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向土壤傳遞。假設(shè)土壤傳遞給室內(nèi)熱量（室內(nèi)傳遞給土壤熱量）Q1；地下車庫通風(fēng)帶走（帶來）的熱量為Q2；那么這兩部分能量的差值Q（Q＝Q1－Q2），再乘以相應(yīng)的系數(shù)即為可供空氣源熱泵利用的冷、熱量。

3．2 計(jì)算假設(shè)條件

1）土壤物性為常數(shù)，溫度恒定為15．8℃；

2）忽略了室內(nèi)空氣與土壤中的濕傳遞及室內(nèi)空氣與室外通風(fēng)空氣的濕傳遞；

3）認(rèn)為地下室內(nèi)均勻送風(fēng)，室內(nèi)空氣溫度均勻一致；

4）將室內(nèi)空氣與土壤之間的傳熱過程近似為帶有第三類邊界條件的半無限大物體傳熱。

模型；室內(nèi)空氣與室外空氣的傳熱為顯熱傳熱。

3．3 計(jì)算中用到的參數(shù)及公式如表1

表1 計(jì)算中的各種參數(shù)

3．4 冬、夏季地下空間可提供的能量

3．4．1 夏季可供空氣源熱泵利用的冷量

為了使可供利用的能量最大，則地下空間空氣穩(wěn)定溫度為室外通風(fēng)計(jì)算溫度，即為31．4℃；

Q1＝2．6×11482×（31．4－15．8）＝465kw；Q2＝0w；Q＝Q1－Q2＝465kw

查某熱泵樣本，經(jīng)計(jì)算熱泵夏季所處環(huán)境溫度為31．4時(shí)，其性能系數(shù)COP為3．6，則熱泵夏季可提供的冷量需要乘以0．78的系數(shù)，則為:465×0．78＝362kw。

3．4．2 冬季可供風(fēng)冷熱泵利用的熱量

為了使可供利用的能量最大，則地下空間穩(wěn)定溫度為室外通風(fēng)計(jì)算溫度，即為2．6℃；

Q1＝2．6×11482×（15．8－2．6）＝394kw；Q2＝0w；Q＝394kw。

查某熱泵樣本，熱泵冬季性能系數(shù)COP值為3．37，則熱泵冬季可提供的熱量需要乘以1．3的系數(shù)，則為:394×1．3＝512kw。

4 商場(chǎng)的冷熱負(fù)荷及熱泵機(jī)組的選配

4．1 室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算參數(shù)如表2

4．2 室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果及機(jī)組選擇

經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，－1F夾層商場(chǎng)夏季冷負(fù)荷為:218kw，冬季熱負(fù)荷為:117kw；－2層商場(chǎng)夏季冷負(fù)荷為:603kw，冬季熱負(fù)荷為:554kw；結(jié)合地下空間可供提供的能量和空氣源熱泵樣本機(jī)組的高效運(yùn)行區(qū)域，選擇一臺(tái)額定制冷量為404kw，制熱量為508kw的機(jī)組，可滿足夾層商場(chǎng)和－1層商場(chǎng)一部分負(fù)荷需求；－1層商場(chǎng)不足部分可由地上建筑冷熱源附帶解決。

5 機(jī)組在地下空間的性能系數(shù)COP與置于室外環(huán)境下比較

機(jī)組制冷工況環(huán)境干球溫度為35℃時(shí)，COP為3．2；機(jī)組制熱工況環(huán)境干球溫度為7℃時(shí)，其性能系數(shù)COP為3．6；機(jī)組在不同環(huán)境溫度下制冷、制熱量及輸入功率修正系數(shù)，如表3。

表3 機(jī)組不同環(huán)境溫度下制冷、熱量及輸入功率修正系數(shù)

夏季地下空間溫度為31．4℃，此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)COP為3．6；室外空調(diào)計(jì)算干球溫度為35℃，當(dāng)機(jī)組直接置于室外時(shí)其性能系數(shù)COP為3．2；因此，其性能系數(shù)COP值提高了12．5%。

冬季地下空間溫度為2．6℃，此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)COP為3．37；室外空調(diào)計(jì)算干球溫度為－4．2℃，當(dāng)機(jī)組直接置于室外時(shí)其性能系數(shù)COP為2．88；因此，其性能系數(shù)COP值提高了17%。

6 根據(jù)風(fēng)量校核空氣源熱泵的供熱、供冷能力

車庫換氣次數(shù)按照6次／h計(jì)算，地下車庫風(fēng)量為289800m3／h；查找某空氣源熱泵樣本可知:當(dāng)制冷量為60kw、制熱量為64kw時(shí)，空氣側(cè)換熱器風(fēng)量為26000m3／h；由此計(jì)算當(dāng)風(fēng)量為289800m3／h時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組可提供的冷量為668kw、熱量為713kw．因此，由校核計(jì)算可知:在車庫6次／h換氣次數(shù)的條件下，空氣源熱泵可提供的冷、熱量完全滿足我們的熱泵選型要求。

7 結(jié) 論

1）地下空氣能是取之不盡用之不竭的綠色能源，充分、合理地利用地下能對(duì)節(jié)能作出巨大貢獻(xiàn)。

2）本文詳細(xì)闡述了地下空間可以用的空氣能量的計(jì)算方法，可以作為工程參考依據(jù)。

3）經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，置于地下空間的空氣源熱泵與置于室外環(huán)境下相比，其性能系數(shù)COP值大大提高，可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用。

4）冬季地下空間溫度比室外溫度高7．8℃，以地下空間空氣作為空氣源熱泵的低位熱源，有效地抑制了制熱量的衰減，能夠制取足夠的熱量。

1 桂玲玲．地道風(fēng)在建筑通風(fēng)空調(diào)中的利用研究［D］．南京:南京理工大學(xué)，2009．

2 李永安．基于地道風(fēng)的空氣源熱泵性能研究［J］．地溫建筑技術(shù)，2003（1）:441－444．

3 常征．土壤溫度的變化特點(diǎn)及其規(guī)律［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，1989，8（3）:35．

4 劉曉燕，趙軍．土壤恒溫層溫度及深度研究［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2007，28（5）:495－498．

5 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB 50736）［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012:124．

6 張虎，程海峰．復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)在合肥地區(qū)的應(yīng)用分析［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，18（6）:70－73．