安徽建筑大学    程海峰

摘  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。

0 引言

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。

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；-1层至-4层围护结构直接与土壤接触。夹层、-1层为商场，建筑面积分别为1830㎡、8245㎡ ；其余三层全部为车库，面积分别为5100㎡ 、5500㎡ 、5500㎡。

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［1］及基于地道风的空气源热泵技术［2］。地道风降（升）温是指直接将空气直接送入

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--土壤的热交换器。而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。

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, 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-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平均气温15.8℃［5］。

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=Q1-Q2），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15.8℃；

2）忽略了室内空气与土壤中的湿传递及室内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；

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

表1 计算中的各种参数

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

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)=465kw；    Q2= 0w  ；    Q=Q1-Q2=465kw

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 ；

 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，则地下空间稳定温度为室外通风计算温度，即为2.6℃；

Q1=2.6×11482×(15.8-2.6)=394kw ；    Q2= 0w ；    Q=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：394×1.3=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

4.2 室内负荷计算结果及机组选择

 经负荷计算，-1F夹层商场夏季冷负荷为：218kw，冬季热负荷为：117kw；

-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-1层商场一部分负荷需求；-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℃，此时机组性能系数COP为3.6；室外空调计算干球温度为35℃，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-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17%.

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/h；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26000m³/h；由此计算当风量为289800m³/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 硕士学位论文  南京理工大学2009年6月

[2] 李永安等.基于地道风的空气源热泵性能研究[J].地温建筑技术.2003(l)：441~444

[3] 常征.土壤温度的变化特点及其规律. 油气储运 1 9 8 9 年6月第8 卷, 第3 期：35

[4] 刘晓燕,赵军等. 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 – 2012 ：124

[6] 张虎, 程海峰等.复合土壤源热泵系统在合肥地区的应用分析  安徽建筑工业学院学报 (自然科学版) 第18卷第6期 2010年12月 ：70~73