土壤—空气换热器系统研究现状

土壤—空气换热器系统研究现状

发表时间：2019-07-23T14:25:37.507Z 来源：《基层建设》2019年第13期作者：张晓明刘瑞囡周宏敞[导读] 摘要：化石能源的过度开采不但破坏环境，还加剧了能源枯竭。

沈阳建筑大学市政与环境工程学院辽宁沈阳 110168 摘要：化石能源的过度开采不但破坏环境，还加剧了能源枯竭。所以开发可再生能源与新能源已经成为了新时代的主题。由于地层的体积巨大，具有巨大的蓄、放热能力，从一定意义上来说，地层是一个取之不尽的能量源泉。本文首先介绍了土壤-空气换热系统的基本原理和组成，并归纳了一些国内外土壤-空气换热器的研究现状，为相关工作者提供一定帮助。

关键词：土壤-空气换热；节能

引言

土壤-空气换热系统充分利用土壤浅层的地热能，对室外空气进行预冷或预热作用，大大降低新风负荷而成为一种非常有效的被动式手段，通常可以作为房间独立新风系统或中央空调的新风系统结合使用。针对整个地球来说，通过地表浅层土壤表面可以获取来自太阳照射到地球上的80%左右的能量，因此浅层土壤有着储能大、分布广泛、易再生等特点。

1 土壤—空气换热器基本原理及组成

土壤—空气换热器通常由埋置在地下的管道网组成，室外空气通过风机作用不断经由地下管道传输至所需场所，常常配有热回收装置。土壤-空气换热系统是将地下埋管换热器技术应用在建筑上的新型系统，该系统利用深埋于地下的土壤-空气换热器从浅层土壤中汲取能量为室外新风预冷（夏季）或预热（冬季），从而达到节约能源和提高室内环境品质的目的。

土壤空气换热系统工作的基本流程为：室外未经处理的空气通过风机进入地下换热管道，通过管壁与土壤进行热量交换；在冬季，室外低温空气能够获取土壤中储存的热量，达到预热空气的效果；在夏季，室外高温空气能够将热量储存到土壤之中，达到降低空气温度的目的。该系统一般与空调系统耦合或者直接作为新风系统送入室内，在满足负荷需求的同时达到节能的效果。

2 土壤—空气换热器研究现状

目前，国内外对土壤空气换热器的研究主要是建立在理论分析，数值模拟以及实验验证的基础上进行展开的。 2016年郭源浩[1]将单体建筑热压通风与空气土壤换热器结合起来，根据傅里叶变换理论，对单体建筑热压通风与蓄热非线性耦合理论进行分析推导。求解得出室内空气温度，通风量与建筑尺寸，蓄热体量及负荷的关系。并通过搭建实验台验证理论模型合理性。范毅等人[2]还分析了换热量和COP的变化规律，试验数据下换热器COP能达到24.1，通过建立非稳态换热模型，模拟研究不同入口风速对换热性能的影响，结果表明当流速5.5m/s时土壤空气换热器COP达到最大值，加热和冷却工况分别是11.1和29.1。 2018年，闫婷婷[3]等为研究土壤空气换热器土壤热湿迁移规律，建立水平换热管周围非饱和土壤热湿耦合传递的数学模型，结果表明温度促进土壤中的湿分沿温度降低的方向移动，且土壤孔隙中水分迁移有利于增加空气单位时间换热量。

国外许多研究人员已经开发了各种设计工具来确定和评估埋管换热器的热性能。Mogensen[4]提出了热响应测试（TRT），它已被用作确定地面热导率的非常有效的方法。Rottmayer等[5]通过使用有限差分法对单个钻孔内部和周围地面使用圆柱坐标系并忽略垂直方向的热传导来研究单个钻孔的性能。许多实验研究了各种类型的土壤空气换热系统，总结了其加热和冷却性能。Tittelein等[6]实现了关于土壤空气换热系统的理论研究，并将其指定为数值模型或分析模型。Bandyopadhyay等[7]提供了地下热交换器短时瞬态响应的分析解决方案，并表明可以分析边界温度数据，以测量热响应测试中介质的热导率。

温室中部的吸热量最大，中部的净辐射值大于南北向的净辐射值。阴天，南北向的总辐射与净辐射均为南部大于北部。晴天的最大总辐射值是阴天的12.4倍，最大净辐射值是阴天的21.7倍，温室东西向地表面的净辐射值和总辐射值受测点位置的影响很小，主要受太阳辐射的影响。室外太阳辐射对室内温度的影响大于室外温度，位于温室中部的地表空气温度高于其它位置的测点，相对湿度低于其它位置的测点。2、不同深度的土壤温湿度变化趋势一致，都随时间呈现周期性的正弦曲线变化，土壤温度波动幅度均表现出1cm7cm15cm30cm50cm的变化规律，即越靠近地表土壤层温度日较差越大，随着土壤深度的增加，温度波的振幅逐渐减小，含水率的变化幅度也逐渐减小，延迟时间逐渐增大，50cm深度土壤层受外界环境变化的影响很小，温湿度基本保持恒定。3、南北向土壤温度分布为中部北部南部，含水率为南部北部中部，东西向土壤温度分布为中部土壤温度高于东西两侧土壤，含水率的分布正好相反，不论是白天土壤的吸热过程还是晚上的放热过程，温室中部测点的温度梯度都大于东西两侧测点。

结论

土壤空气换热器利用铺设于地下的换热管道，通过管道内部流动的空气与土壤进行换热，从而为建筑提供新风预热或预冷的作用。无论是从节约能源还是从开发新能源角度来讲都具有重要意义。国内对土壤空气换热系统的研究较少，多应用于发达国家。所以，因地制宜去研究符合我国气候和土壤条件下土壤空气换热器的换热性能，其理论价值和实际意义都很大，相关技术和应用潜力的开发更能适应时代发展。

参考文献：

[1]郭源浩.热压与空气—土壤换热器（EAHE）耦合通风换热理论模型研究[D].重庆大学，2016.

[2]范毅，杜震宇，余敏，秦旖.土壤空气换热器换热特性的模拟研究[J].可再生能源，2016，34（10）：1517-1524.

[3]闫婷婷，杜震宇.日光温室土壤-空气换热器周围土壤中热湿迁移规律研究[J].工程热物理学报，2018，39（02）：434-441.

[4]Mogensen P.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages.In：Proceedings of the International Conference on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice.1983.p.652–7.

[5]Rottmayer SP，Beckman WA，Mitchel JW.Simulation of a single vertical Utube ground heat exchanger in an infinite medium.ASHRAE Transactions 1997；103（2）：651–9.

[6]Rafferty K.Specification of water wells.ASHRAE Transactions 2001；107：487–93.

[7]Bandyopadhyay G，Gosnold W，Mann M.Analytical and semi-analytical solution for short time transient response of ground heat exchangers.Energy and Buildings 2008；40：1816–24.