郝正琦 王月婷 孫少杰 張乙宸

摘要：通過充分利用建筑物內(nèi)部不同空間內(nèi)的溫度場存在明顯差異的特點(diǎn)，特別是對(duì)存在地下室等低溫環(huán)境的建筑物，通過太陽能電力驅(qū)動(dòng)的抽風(fēng)換氣設(shè)備來實(shí)現(xiàn)將低溫空氣;向高溫空間正向流動(dòng)以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控的目的，實(shí)現(xiàn)零碳排放條件下的室內(nèi)降溫目標(biāo);技術(shù)關(guān)鍵在于建筑物低溫空氣源的選取與冷卻路徑優(yōu)化，以及太陽能驅(qū)動(dòng)的空氣循環(huán)系統(tǒng)效率的設(shè)計(jì)和評(píng)估等。

關(guān)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(yīng)影響，夏季已成為電力能源消耗高度集中的時(shí)段，而中國目前發(fā)電大多仍靠不可再生資源實(shí)現(xiàn)供電，而不可再生資源的消耗又會(huì)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(shí)段，這既不利于節(jié)能減排理念的順利實(shí)施，化石能源的消耗又同時(shí)會(huì)加劇全球氣候變暖速率。自“十四五”規(guī)劃綱要指出“推進(jìn)能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力?！币詠恚瑢?duì)資源再利用以及潛在資源以及廢物資源的利用愈發(fā)成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。因此，研究和開發(fā)低能耗或無需常規(guī)能源的新型室內(nèi)空氣冷卻循環(huán)系統(tǒng)顯得尤為重要。

根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，《公共建筑室內(nèi)溫度控制管理辦法》指出公共建筑夏季室內(nèi)溫度不得低于26℃，冬季室內(nèi)溫度不得高于20℃，本著資源節(jié)約和集約利用的原則，以舒適性為目的，現(xiàn)階段查閱的資料中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度下降的手段主要集中在空調(diào)系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，而在利用建筑自身?xiàng)l件進(jìn)行低能耗的冷熱交換系統(tǒng)并不多見，且目前各系統(tǒng)都各有弊端。風(fēng)扇在盛夏時(shí)吹出熱風(fēng)，無法較好的滿足消費(fèi)者制冷需求;空調(diào)效率很高，但消耗能源過度，又會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)，形成臭氧層空洞，還會(huì)使得空調(diào)外機(jī)附近溫度上升加劇城市熱島效應(yīng)，且排水處理不當(dāng)可能引發(fā)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(biāo)，用太陽能驅(qū)動(dòng)電力，且冷熱交換系統(tǒng)的安裝過程簡單，可行性強(qiáng)，在合理操作時(shí)能夠起到較好的制冷作用，故應(yīng)用市場廣闊。

二、工作原理

以清潔能源太陽能作為主要驅(qū)動(dòng)，充分利用夏季晴熱天氣條件下室內(nèi)溫度與太陽能發(fā)電效率都比較高的正相關(guān)特征，有效保證空氣循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

利用建筑物內(nèi)部低溫空間作為進(jìn)氣源或空氣冷卻通道可以減小對(duì)氟利昂等制冷劑的依賴，充分發(fā)揮建筑物墻體、地面、土體等的吸熱/蓄熱功能，實(shí)現(xiàn)空氣自然冷卻目的。同現(xiàn)有常規(guī)制冷手段相比，可顯著降低資源消耗和環(huán)境污染。

改變?cè)锌照{(diào)系統(tǒng)向室內(nèi)吹氣的循環(huán)方式，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)，以太陽能電力驅(qū)動(dòng)的抽氣泵作為能源，結(jié)合熱空氣輕、冷空氣重的特點(diǎn)，通過將總排氣孔設(shè)置在建筑物高點(diǎn)以達(dá)到降低空氣循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力源能量消耗的目的，實(shí)現(xiàn)空氣正向循環(huán)流動(dòng)和持續(xù)降溫。

研究利用建筑物內(nèi)低溫空間內(nèi)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(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。

基于太陽能電力驅(qū)動(dòng)的建筑內(nèi)部冷熱空氣自然交換系統(tǒng)，其本身的太陽能驅(qū)動(dòng)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(guī)燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，同時(shí)利用建筑自身?xiàng)l件改變熱冷空氣交換避免了空調(diào)設(shè)備大量資源消耗和潛在污染問題。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，我國學(xué)者對(duì)土壤-空氣換熱系統(tǒng)的理論和應(yīng)用開展了廣泛研究，研究內(nèi)容主要包括建立理論模型進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、應(yīng)用數(shù)值模擬研究系統(tǒng)換熱效果開展實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)系統(tǒng)性能等方面。

20世紀(jì)60年代，我國學(xué)者就開始對(duì)土壤-空氣換熱系統(tǒng)進(jìn)行研究。在研究初期，主要采用解析方法進(jìn)行計(jì)算分析，建立地道壁面和空氣換熱的熱平衡關(guān)系，通過熱平衡方程推導(dǎo)各項(xiàng)參數(shù)，其結(jié)果對(duì)早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

很多學(xué)者將土壤-空氣換熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行研究，以改善地埋管的埋管面積小、土質(zhì)條件差、管內(nèi)空氣品質(zhì)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(jī)組性能測(cè)試，證明系統(tǒng)換熱性能優(yōu)于普通空氣源熱泵，制熱量和COP顯著提高，同時(shí)改善了冬季結(jié)霜問題，在低溫惡劣天氣也能高效運(yùn)行。李銳等人叫將地埋管與太陽能煙囪結(jié)合，采用正交模擬試驗(yàn)分析了不同因素對(duì)系統(tǒng)適用范圍的影響，認(rèn)為當(dāng)煙囪高度在2-3m時(shí)，系統(tǒng)降溫效果最佳。

四、國外研究現(xiàn)狀

國外對(duì)土壤-空氣換熱器的研究起步早于國內(nèi)，應(yīng)用也更廣泛先進(jìn)。以美國為代表的一眾國家于上世紀(jì)40年代起陸續(xù)開展土壤-空氣換熱系統(tǒng)的相關(guān)研究。在計(jì)算機(jī)仿真模擬方面，國外學(xué)者也做了大量研究。Mihalakakou定義了一個(gè)因數(shù)，利用三維耦合方法提出了新型傳熱傳質(zhì)模型，同時(shí)考慮了主要影響因素，可精確模擬換熱過程在實(shí)際研究方面，國外學(xué)者注意到了系統(tǒng)本身如氣候條件、管壁材料、管道埋深等因素，并設(shè)法在同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)研究其對(duì)性能的影響。德國學(xué)者Pfafferott對(duì)三幢應(yīng)用土壤-空氣換熱系統(tǒng)的辦公建筑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，定義了兩種溫度變化率、系統(tǒng)換熱效率比較模型，比較三個(gè)系統(tǒng)的影響因素，認(rèn)為土壤及地表溫度對(duì)系統(tǒng)性能有重要作用，管道材料密度則對(duì)換熱影響極小。

國外一些學(xué)者也開展了大量土壤-空氣換熱系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合的復(fù)合式系統(tǒng)研究。美國學(xué)者Li等人將土壤-空氣換熱系統(tǒng)和太陽能煙囪結(jié)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(fēng)補(bǔ)入室內(nèi)，無需機(jī)械裝置和電力驅(qū)動(dòng)，大幅度提升節(jié)能性及制冷效果。瑞士學(xué)者Hollmuller等人認(rèn)為，當(dāng)土壤-空氣換熱系統(tǒng)與熱回收系統(tǒng)耦合時(shí)，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(tǒng)與建筑物既有空氣源熱泵結(jié)合的形式，證明在高溫潮濕地區(qū)，這種系統(tǒng)能顯著降低建筑的制冷能耗。

五、市場調(diào)查研究

目前市場上的核心制冷系統(tǒng)存在風(fēng)扇、空調(diào)，土壤源熱泵等，且各有弊端?？照{(diào)效率很高，但消耗能源過度，又會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)，形成臭氧層空洞，還會(huì)使得空調(diào)外機(jī)附近溫度上升加劇城市熱島效應(yīng)，且排水處理不當(dāng)可能引發(fā)污染;而傳統(tǒng)土壤源熱泵具有熱堆積，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)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(nèi)低溫區(qū)域的空氣作為降溫源，并利用太陽能為空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)備提供動(dòng)力，對(duì)中底層建筑、工業(yè)建筑具備廣泛適用性。全國目前有城市，鄉(xiāng)以及村鎮(zhèn)共39327279家庭戶，其中建筑層數(shù)不超過6層的共35750277戶，占全部住戶的90.9%。而在鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村中，這個(gè)比例更分別高達(dá)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(qū)域，且結(jié)合土壤可解決低溫空間自然冷源儲(chǔ)備不足的問題，具備本系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)環(huán)境要求。另一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起和信息時(shí)代的到來，對(duì)大數(shù)據(jù)機(jī)房如雨后春筍般建立起來，如何為小空間內(nèi)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(gè)日益嚴(yán)重的問題。由于大數(shù)據(jù)機(jī)房通常具備地下室等低溫區(qū)域作為配套設(shè)施，滿足本系統(tǒng)適用條件，實(shí)現(xiàn)零碳排放條件下的室內(nèi)降溫目標(biāo)。

六、結(jié)論

基于太陽能電力驅(qū)動(dòng)的建筑內(nèi)部冷熱空氣自然交換系統(tǒng)，其本身的太陽能驅(qū)動(dòng)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(guī)燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，同時(shí)利用建筑自身?xiàng)l件改變熱冷空氣交換避免了空調(diào)設(shè)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(qū)動(dòng)電力，且冷熱交換系統(tǒng)的安裝過程簡單，操作性強(qiáng)，成本低，采用時(shí)間控制等策略可以取得顯著的降溫效果，普適性強(qiáng)，故應(yīng)用市場廣闊，在應(yīng)用前景方面具有一定的經(jīng)濟(jì)性效益。依托循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的太陽能制冷裝置可用于炎熱季節(jié)下室內(nèi)降溫，對(duì)于具有地下室空間的建筑物降的溫效果更加明顯，對(duì)于社會(huì)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。迎合當(dāng)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(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)以清潔作為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)方式，利用室內(nèi)新型換風(fēng)系統(tǒng)和建筑物內(nèi)部低溫冷源，可大大降低夏季室內(nèi)降溫能耗;本空氣循環(huán)系統(tǒng)具有噪音小，效率高，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了建筑物內(nèi)部氣流正向循環(huán)降溫，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

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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(xué)院本科在讀，金融學(xué)方向。

基金項(xiàng)目：

2021年山東省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“基于太陽能電力驅(qū)動(dòng)的建筑內(nèi)部冷熱空氣自然交換”（202111510197）。