某交通大厦地下空间空气能的利用

第２２卷第１期　２０１４年２月　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１４　某交通大厦地下空间空气能的利用　程海峰，　张摘举　２３０６０１）　（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥要：地下空气能的利用是对可再生能源的一种利用方式。由于地下土壤层的蓄热能力和温度波衰减和　延迟作用，在一定深度范围内，其常年温度恒定，相对于室外温度而言，冬季空气温度高，夏季空气温度低；本　文拟采用通过空气源热泵的方式利用这一部分能量，并与常规置于室外的方式比较，得出其节能效果。　关键词：地下空间能量；空气源热泵；节能　中图分类号：ＴＵ９６＋２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４５４０（２０１４｝０１—０６７—０３　Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ａｉｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ａ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＣＨＥＮＧ　Ｈａｉ—ｆｅｎｇ，　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕ　（Ａｎｈｕｉ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｆｅｉ，Ａｎｈｕｉ，２３０６０１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ａｉｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｗａｙ　ｏｎ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｖｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｌａｙ　ａｃｔｉｏｎ．ａｔ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｉｔｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｙｅａｒ；Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｔｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｉｎ　ｗｉｎｔｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｉｎ　ｓｕｍｍｅｒ；Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｄｏｐｔｓ　ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｉｓ　ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｗａｙ，ｓｈｏｗｓ　ｉｔｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆ　ｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｓｐａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ；Ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；Ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　０　引　言　其余三层全部为车库，面积分别为５１００ｍ　、　５５００ｍ２、５５００ｍ。。　地下建筑围护结构直接与土壤接触，一定深　度范围内土壤良好的热稳定性使地下空间具有　“冬暖夏凉“的特性；充分利用地下空间这一部分　２空气能利用的构想　由于土壤的蓄热能力，地温随着地表深度的　能量将会为建筑物节能做出贡献。笔者查阅大量　文献，结合实际工程情况，提出地下空间能量利用　的做法，以供参考。　增加而衰减和延迟。在一定深度范围内，地温为　一个常数。并且，这部分土壤温度冬季比室外温　１地下建筑概况　交通大厦位于安徽省合肥市，地下共有５层。　夹层周围为下沉广场，围护结构直接与空气接触；　一度高，夏季比室外温度低。对于这部分地下空间　这种“冬暖夏凉“的特性的利用，前人已有了大量　的研究工作，主要有地道风降（升）温技术［１３及基　于地道风的空气源热泵技术Ｌ２］。地道风降（升）温　是指直接将空气直接送人地道或采用地埋管的方　式，通过空气与土壤的热量交换达到降（升）温的　目的，相当于一台空气一一土壤的热交换器。而　１层至一４层围护结构直接与土壤接触。夹层、　一１层为商场，建筑面积分别为１８３０ｍ　、８２４５ｍ。　收稿日期：２０１３—０９—０３　作者简介：程海峰（１９６６一），男，教授级高级工程师，主要研究方向为暖通空调。　６８　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　第２２卷　基于地道风的空气源热泵技术主要是利用地道空　间内空气作空气源热泵的低位热源，与置于室外　的空气源热泵相比，热泵效率将会得到提高。传　恒温层的温度等于当地空气年均温度。交通大厦　４层标高为一２５ｍ，在计算过程我们可近似认　为这部分地下空间土壤源温度恒定为合肥地区年　统地道风系统是直流式系统，直接利用空气与土　壤换热后的能量。而交通大厦车库周围土壤传递　的能量一部分被车库通风带走，考虑到汽车尾气　的存在，这部分能量不能直接加以利用，而是排放　平均气温１５．８￣Ｃｌ５］。　恒温层处土壤温度冬季比室外温度高，夏季　比室外温度低＿６　；冬季土壤会通过围护结构传给　室内热量，夏季室内热量会通过围护结构向土壤　传递。假设土壤传递给室内热量（室内传递给土　壤热量）Ｑ１；地下车库通风带走（带来）的热量为　Ｑ２；那么这两部分能量的差值Ｑ（Ｑ—Ｑｌ—Ｑ２），　到室外，余下部分才是可供利用的能量，这是与传　统地道风研究的不同之处。基于此，我们拟采用第　二种方式，即把车库内空气作为空气源热泵的低位　热源。通过分别计算得到车库周围土壤可以提供　冷、热量的能力及商场所需要的冷热负荷并进行比　较，不足部分由地上建筑的冷、热源附带解决。　再乘以相应的系数即为可供空气源热泵利用的　冷、热量。　３．２计算假设条件　１）土壤物性为常数，温度恒定为ｌ５．８℃；　２）忽略了室内空气与土壤中的湿传递及室内　３计算不同室内温度条件下地下车库　空间可提供给空气源热泵的能量　３．１计算思路　土壤温度的年振幅随着深度的增加而减小，　空气与室外通风空气的湿传递；　３）认为地下室内均匀送风，室内空气温度均　匀一致；　在高纬度地区年振幅消失于２０～２５ｍ处，中纬　度消失于１５～２０ｍ处［３］，这部分区域也就是土　壤的恒温层。合肥位于北纬３１度５２分，属于中　纬度地区，我们可以近似认为在１５～２０ｍ处土　壤为恒温。文献［４］从能量守恒的角度出发，证明　土壤温度与室内温度差值　室内温度与室外计算通风温度差值４）将室内空气与土壤之间的传热过程近似为　带有第三类边界条件的半无限大物体传热。　模型；室内空气与室外空气的传热为显热　传热。　３．３计算中用到的参数及公式如表１　Ｔ１　Ｔ２　表ｉ计算中的各种参数　ＱＩ为土壤传递能量　Ｑ２为室外空气传递能量　Ｑ为可供热泵利用的能量　土壤源温度ＣＣ）　Ｑ１一ＫＦＴＩ　ＱＩ—ＣＭＴ２　Ｑ—Ｑ１一Ｑ２　１５．８℃　合肥夏季通风室外计算干球温度（℃）　合肥冬季通风室外计算干球温度（℃）　与土壤接触的有效传热面积Ｆ（ｍ　）　地下车库体积（ｍ０）３１．４＂Ｃ　２．６℃　６３１８＋３７７×１３．７—１１４８２ｍ２　（５１００４－５５００＋５５００）×３—４８３００ｍ３　地下室通风量ＩＴＩ３／ｈ（按６次换气次数）地下室通风空气质量（ｋｇ／ｈ）　空气定压比热容（２７℃时）　４８３００×６—２８９８００ｍ３／ｈ　１．２９×２８９８００＝３７３８４２ｋｇ／ｈ　１．００５ＫＪ／ｋｇ．ｋ　土壤传热Ｋ值　ＬⅢ八ｍ．　肭表　３．４冬、夏季地下空间可提供的能量　３．４．１　夏季可供空气源热泵利用的冷量　查某热泵样本，经计算热泵夏季所处环境温　度为３１．４时，其性能系数ＣＯＰ为３．６，则热泵夏　季可提供的冷量需要乘以０．７８的系数，则为：４６５　×０．７８—３６２ｋｗ。　为了使可供利用的能量最大，则地下空间空　气稳定温度为室外通风计算温度，即为３１．４℃；　Ｑ１—２．６×１１４８２×（３１．４—１５．８）一４６５ｋｗ；　Ｑ２一Ｏｗ；Ｑ—Ｑ１一Ｑ２＝４６５ｋｗ　３．４．２冬季可供风冷热泵利用的热量　为了使可供利用的能量最大，则地下空间稳　第１期　程海峰，等：某交通大厦地下空间空气能的利用　６９　定温度为室外通风计算温度，即为２．６℃；　Ｑ１－－２．６×１１４８２　Ｘ（１５．８—２．６）一３９４ｋｗ￣　Ｑ２—０ｗ；Ｑ一３９４ｋｗ。　查某热泵样本，热泵冬季性能系数ＣＯＰ值为　３．３７，则热泵冬季可提供的热量需要乘以１．３的　系数，则为：３９４Ｘ１．３—５１２ｋｗ。　４商场的冷热负荷及热泵机组的选配　４．１室内负荷计算参数如表２　表２室内空调设计参数表　４一室内负荷计算结果及机组选择　经负荷计算，一１Ｆ夹层商场夏季冷负荷为：　２１８ｋｗ，冬季热负荷为：１１７ｋｗ；一２层商场夏季冷　负荷为：６０３ｋｗ，冬季热负荷为：５５４ｋｗ；结合地下　空间可供提供的能量和空气源热泵样本机组的高　效运行区域，选择一台额定制冷量为４０４ｋｗ，制热　量为５０８ｋｗ的机组，可满足夹层商场和一１层商　场一部分负荷需求；一１层商场不足部分可由地　上建筑冷热源附带解决。　５机组在地下空间的性能系数ＣＯＰ　与置于室外环境下比较　机组制冷工况环境干球温度为３５℃时，ＣＯＰ　为３．２；机组制热工况环境干球温度为７℃时，其　性能系数ＣＯＰ为３．６；机组在不同环境温度下制　冷、制热量及输入功率修正系数，如表３。　表３机组不同环境温度下制冷、热量及输入功率修正系数　夏季地下空间温度为３１．４￣Ｃ，此时机组性能　系数ＣＯＰ为３．６；室外空调计算干球温度为　３５￣Ｃ，当机组直接置于室外时其性能系数ＣＯＰ为　３．２；因此，其性能系数ＣＯＰ值提高了１２．５　。　冬季地下空间温度为２．６℃，此时机组性能　系数ＣＯＰ为３．３７；室外空调计算干球温度为一　４．２℃，当机组直接置于室外时其性能系数ＣＯＰ　为２．８８；因此，其性能系数ＣＯＰ值提高了ｌ７　。　６根据风量校核空气源热泵的供　热、供冷能力　车库换气次数按照６次／ｈ计算，地下车库风　量为２８９８００ｍ３／ｈｉ查找某空气源热泵样本可知：　当制冷量为６０ｋｗ、制热量为６４ｋｗ时，空气侧换　热器风量为２６０００ｍ。／ｈ；由此计算当风量为　２８９８００ｍ。／ｈ时，空气源热泵机组可提供的冷量为　６６８ｋｗ、热量为７１３ｋｗ．因此，由校核计算可知：在　车库６次／ｈ换气次数的条件下，空气源热泵可提　供的冷、热量完全满足我们的热泵选型要求。　７结　论　１）地下空气能是取之不尽用之不竭的绿色　能源，充分、合理地利用地下能对节能作出巨大　贡献。　２）本文详细阐述了地下空间可以用的空气能　量的计算方法，可以作为工程参考依据。　３）经比较发现，置于地下空间的空气源热泵　与置于室外环境下相比，其性能系数ＣＯＰ值大大　提高，可节约大量的运行费用。　４）冬季地下空间温度比室外温度高７．８℃，　以地下空间空气作为空气源热泵的低位热源，有　效地抑制了制热量的衰减，能够制取足够的　热量。　参考文献　１桂玲玲．地道风在建筑通风空调中的利用研究［Ｄ］．　南京：南京理工大学，２００９．　２李永安．基于地道风的空气源热泵性能研究ＥＪ］．地温　建筑技术，２００３（１）：４４１－４４４．　３常征．土壤温度的变化特点及其规律口］．油气储运，　１９８９，８（３）：３５．　４刘晓燕，赵军．土壤恒温层温度及深度研究［Ｊ］．太阳　能学报，２００７，２８（５）：４９５－－４９８．　５民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（ＧＢ　５０７３６）　［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２：１２４．　６张虎，程海峰．复合土壤源热泵系统在合肥地区的应　用分析ＥＪ］．安徽建筑工业学院学报（自然科学版），　２０１０，１８（６）：７０～７３．