探讨利用地道风作为空气源热泵冷热源的可行性

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摘要：探讨了地层原始温度的变化特点，分析了利用地道风作为空气源热泵冷热源的应用地域可行性、节能性、经济性。结果表明：利用地道风作为空气源热泵冷热源具有广泛适用性，可以提高空气源热泵的性能系数，减少热泵耗电量。

关键词：地道风；空气源热泵；冷热源；节能

0 引言

随着人们生活水平的提高和经济社会的发展，人们对室内空气品质和热舒适性的要求进一步提高，空调能耗占我国能源消耗的比例越来越高，空调节能已成为我国空调发展的主流，是降低建筑能耗、缓解能源紧张的关键措施之一。

空气源热泵以空气中能量为冷热源，冬季供暖、夏季供热，具有高效节能、绿色环保的优点，在我国得到了快速发展，但其运行性能受室外空气状态的影响较大，如在夏季室外气温较高（或冬季室外气温较低）时，空气源热泵的COP值和制冷（热）量减小，不能满足室内温度要求，制约了空气源热泵的发展。

上世纪七十年代，我国地道风利用技术开始发展起来。相对于室外温度而言，地道内冬季空气温度高、夏季空气温度低，因此可利用地道冷却（加热）空气，然后将其送至地面上的建筑物以达到调节室内温度目的。这种地道风直接利用技术存在送风气味不好、霉味难以消除、送风含有高浓度致癌物质氡等问题[4]。

为有效解决空气源热泵冬季制热量衰减、夏季制冷量减少这一难题，同时克服直接利用地道风中存在的弊端，我们提出以地道风作为空气源热泵冷热源的方法。这种方法不仅可以大大提高空气源热泵性能系数，而且能对我国丰富的地道资源进行有效的利用。下面我们对利用地道风作为空气源热泵冷热源的可行性进行探讨。

1地道资源丰富

我国幅员辽阔，建筑业发展迅速，有大量的人防工程可以利用，同时还有不少的山洞、暗河、隧道等天然或人工隧道，地道资源十分丰富。据统计，仅山东省内地道面积就达到700万[1]，这些地道大多在地下10m左右，由于地面温度波衰减和延迟的作用，相对室外温度而言，冬季空气温度高，夏季空气温度低。

2 地层原始温度的特点

我国地道大多在地下10m左右，属于浅埋构筑物。浅地层温度的变化主要取决于地层表面温度的变化。地表层温度主要取决于太阳辐射来的能量，在一年中呈余弦函数式的周期性变化，一般在三月份开始升高，至七月份达到最高值，之后又逐渐下降[1]。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深度传递时，会造成温度波的衰减和延迟。

当地层温度一定时，温度波的延迟时间只与地层深度值有关。对一般的土壤地层，深度每增加1m，时间延迟约560h（23d）[2]。以济南市埋深6m地层原始温度为例，其温度是由23d×6=138d（约4个月）以前的地表层温度所决定的。因此，地层温度波的衰减和延迟，为采用地道风作为空气源热泵冷热源提供了有力条件。

3 应用地域分析

我国地域辽阔，不同地区地层土壤的状况各不相同，室外空气流经地道的降温过程，不同地区有不同的特点[2]。表一为不同地区地层土壤温度情况。从表中可看出，以沈阳为代表的东北地区的地层温度较低，在夏季室外空气温度差别不大的情况下，与国内其他城市相比，空气流经地道后的温降较大。对济南、北京等地方而言，地层温度较东北地区略高，这也就决定了空气在流经地道后达到的温度要比东北地区要高。南方地区室外空气温度较高，空气流经地道后，虽然也有较大的温度降，但终点温度还是较其他地区要高，但与室外空气相比，经过地道降温后的空气要比室外空气作为空气源热泵的冷源要好的多。同理，在冬季，室外空气经地道加热后作为空气源热泵的热源要比室外空气好的多。因此，利用地道风作为空气源热泵冷热源在我国大部分区域内都是可以应用的。

4 节能性分析

空气源热泵的工作原理是：在冬季从室外空气温度中提取热量来提高室内温度，在夏季从室内空气中吸取热量排至室外来降低室内温度。因此空气源热泵的性能受到室外空气温度的影响很大。如冬季供暖时，热泵的制热量与建筑物热负荷之间有一平衡点。当室外空气温度小于平衡点温度时，就说明供热量不足，需要补充热量。以济南地区居住建筑为例，热泵制热量和建筑物热负荷间的平衡点为-4℃[5]，这就说明在济南地区每年采用辅助热源加热的时间为733h，即在3个月的供暖期内，约有一个月时间需要启动辅助加热设备，占全年供热时间的30%[6]。利用地道风作为空气源热泵的热源，可以将热泵的性能系数提高32%，同时省去了辅助加热设备，节能效果显著[6]。

5 经济性分析

利用地道风作为空气源热泵的冷热源，在夏季和冬季可以有较高的性能系数，同时在冬季消除了除霜对热泵机组性能的影响，并且可以省去辅助加热设备，简化空调系统。由于地道本身的投资不包括在通风空调工程造价内，和人工制冷及深水井降温相比，投资有较大的节省。较多数情况下，仅空气处理部分，可比普通的制冷系统节省70%以上，与深井水降温相比，宜可节省造价60%以上，同时还节省电能70%左右。一般来说，每处理1万m³/h的空气，只需投资2000元左右[2]。在无现成地道可利用的情况下，如果建造专供空气冷却用的简易地道，由于地道的构造不考虑其他用途，就可以做的非常简单，并且可以根据换热的要求来决定地道的尺寸、几何形状及埋设深度。其造价要比建造防空或其它用途的地道低廉的多。与水源热泵、地源热泵相比，利用地道风作为空气源热泵的冷热源，不用钻井打孔，初投资低，安装方便，施工周期短，控制灵活，省去了冷却水系统。总体来说，工程总投资接近人工制冷系统的造价，但省去了建造锅炉房的费用，而且运行中具有节省电力和维修费用及对周边环境无污染等优势。

6 结论

通过以上分析可看出：利用地道风作为空气源热泵的冷热源，不仅能有效克服空气源热泵冬季制热量衰减、夏季制冷量减少的难题、提高热空气源热泵的性能系数，而且能有效利用地道风这一自然资源，对我国现阶段实现空调系统节能具有重要意义，具有较高的推广价值。

参考文献

[1]王琳，李永安.地下人防工程中自然能源的高效利用[J].低温建筑技术.2008，121：118-120.

[2]牟灵泉.地道风降温计算与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1982.

[3]王钧.中国低温分布的基本特征[M].北京：地震出版社，1990.

[4]刘培源，姚杨，王清勤等.地下空间氡的产生机理及通风控制[J].建筑热能通风空调.2006，vol25，No.3：64－68.

[5]王志毅，谷波，郑刚.地道风空调改善猪舍热环境初探[J].地下空间.2002，22（2）：165－168.

[6]李永安，戎卫国，牟灵泉.基于地道风的空气源热泵性能研究[J].低温建筑技术，2003，（1）：56-57.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。