趙金秀 安貝旸 馬云飛 劉學(xué)友 王爍楠 劉 祿

（唐山學(xué)院，河北 唐山063000）

我國大部分農(nóng)村建筑，沒有集中供暖和供冷系統(tǒng)，農(nóng)戶夏季多采用分體空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)供冷，冬季多采用燃?xì)饣螂婂仩t等取暖，多數(shù)農(nóng)戶在使用供冷和取暖設(shè)備時，往往緊密門窗，減少室外空氣的進(jìn)入，以降低冷熱消耗，但這種方式因為空氣不流通造成室內(nèi)空氣質(zhì)量下降，尤其長時間使用時，空氣質(zhì)量更差，引起不舒適。如果直接開窗通風(fēng)換氣，又會帶來冷熱負(fù)荷的增加，同時由于室外空氣的溫度偏離室內(nèi)空氣值較多，也會給人帶來溫度波動的不舒適。淺層地?zé)崮軕?yīng)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(guān)注。為解決通風(fēng)換氣又不增加能耗，項目組提出了一種農(nóng)宅建筑節(jié)能通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

一種農(nóng)宅建筑通風(fēng)換氣系統(tǒng)組成見圖1 所示。系統(tǒng)由地?zé)嵬L(fēng)部分和屋頂太陽能光伏板部分組成。其中地?zé)嵬L(fēng)部分主要包括進(jìn)風(fēng)口、引風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管、地埋管換熱器、空氣過濾器、送風(fēng)機(jī)、送風(fēng)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(jī)、蓄電池組和連接導(dǎo)線等。

圖1 通風(fēng)換氣系統(tǒng)的組成

1.2 系統(tǒng)工作原理

夏季，室外高溫空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，通過地埋管換熱器被土壤冷卻，溫度降低后被送風(fēng)機(jī)通過送風(fēng)口送入農(nóng)宅房間；冬季，室外寒冷的空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，通過地埋管換熱器被土壤加熱，溫度升高后送入農(nóng)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(nèi)設(shè)有空氣過濾器也能保證通入室內(nèi)的空氣是新鮮的。

系統(tǒng)送引風(fēng)機(jī)的電能由設(shè)置在屋頂?shù)奶柲芄夥灏l(fā)電系統(tǒng)提供，太陽能光伏板的產(chǎn)生的電能通過太陽能控制器進(jìn)入蓄電池組，給送引風(fēng)機(jī)提供電能，蓄電池組多余的電能還可用于農(nóng)宅房間的照明等生活用電的供應(yīng)。

2 地埋管換熱器設(shè)計和敷設(shè)

地埋管換熱器直接影響農(nóng)宅通風(fēng)換氣系統(tǒng)的換熱效果，所以地埋管換熱器的設(shè)計選擇尤為重要。

2.1 地埋管換熱器管材

地埋換熱管道應(yīng)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(fēng)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(shè)方式

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

2.3 通風(fēng)管和地埋管換熱器管徑規(guī)格計算

圖2 水平多排管并聯(lián)地埋管換熱器

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

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

根據(jù)管內(nèi)氣流流速、土壤層平均溫度以及通風(fēng)進(jìn)口空氣溫度等，根據(jù)流體在管內(nèi)換熱理論計算，可求得經(jīng)過地埋管換熱系統(tǒng)后的送風(fēng)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(tǒng)的埋設(shè)深度

根據(jù)管內(nèi)氣流流速、通風(fēng)管與地埋換熱管長度、不同深度土壤層平均溫度以及通風(fēng)進(jìn)口空氣溫度等，根據(jù)流體在管內(nèi)換熱理論計算，可求出經(jīng)過地埋管換熱系統(tǒng)后的送風(fēng)溫度，得到空氣溫降（升）隨敷設(shè)深度變化，如圖4 所示。

圖4 空氣溫降（升）隨地埋管敷設(shè)深度變化

因為室內(nèi)有冷熱源的情況下通風(fēng)溫度標(biāo)準(zhǔn)可降低，綜合考慮地層溫度隨深度變化、經(jīng)濟(jì)性及便于施工，取通風(fēng)管和地埋換熱器敷設(shè)深度為4m。

通過上述分析和理論計算，該系統(tǒng)在夏季室外空氣溫度為28～35℃情況下，能夠使送風(fēng)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(fēng)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(diào)或采暖能耗。

結(jié)束語

一種農(nóng)宅建筑節(jié)能通風(fēng)換氣系統(tǒng)，不僅可以解決通風(fēng)換氣問題，還可以節(jié)省夏季空調(diào)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(jìn)行凈化過濾將新鮮空氣送入房間。并且系統(tǒng)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(chǎn)生污染，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，具有很好的節(jié)能環(huán)保效益，符合未來新農(nóng)村發(fā)展的理念。