太阳能驱动建筑内部冷热空气自然交换系统探讨

郝正琦 王月婷 孙少杰 张乙宸

摘要：通过充分利用建筑物内部不同空间内的温度场存在明显差异的特点，特别是对存在地下室等低温环境的建筑物，通过太阳能电力驱动的抽风换气设备来实现将低温空气;向高温空间正向流动以实现温度调控的目的，实现零碳排放条件下的室内降温目标;技术关键在于建筑物低温空气源的选取与冷却路径优化，以及太阳能驱动的空气循环系统效率的设计和评估等。

关键词：低碳;太阳能;冷热交换

一、引言

随着我国日益突出的能源问题，受全球气候变暖和城市热岛效应影响，夏季已成为电力能源消耗高度集中的时段，而中国目前发电大多仍靠不可再生资源实现供电，而不可再生资源的消耗又会加剧全球气候变暖速率，夏季已成为电力能源消耗高度集中的时段，这既不利于节能减排理念的顺利实施，化石能源的消耗又同时会加剧全球气候变暖速率。自“十四五”规划纲要指出“推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。”以来，对资源再利用以及潜在资源以及废物资源的利用愈发成为相关领域研究的热点。因此，研究和开发低能耗或无需常规能源的新型室内空气冷却循环系统显得尤为重要。

根据国内外的研究现状，《公共建筑室内温度控制管理办法》指出公共建筑夏季室内温度不得低于26℃，冬季室内温度不得高于20℃，本着资源节约和集约利用的原则，以舒适性为目的，现阶段查阅的资料中，实现室内温度下降的手段主要集中在空调系统和温度控制系统，而在利用建筑自身条件进行低能耗的冷热交换系统并不多见，且目前各系统都各有弊端。风扇在盛夏时吹出热风，无法较好的满足消费者制冷需求;空调效率很高，但消耗能源过度，又会引发温室效应，形成臭氧层空洞，还会使得空调外机附近温度上升加剧城市热岛效应，且排水处理不当可能引发污染，带来的弊端显而易见。而本作品致力于以低污染低耗能为核心目标，用太阳能驱动电力，且冷热交换系统的安装过程简单，可行性强，在合理操作时能够起到较好的制冷作用，故应用市场广阔。

二、工作原理

以清洁能源太阳能作为主要驱动，充分利用夏季晴热天气条件下室内温度与太阳能发电效率都比较高的正相关特征，有效保证空气循环系统的正常运行，达到节能减排的目的。

利用建筑物内部低温空间作为进气源或空气冷却通道可以减小对氟利昂等制冷剂的依赖，充分发挥建筑物墙体、地面、土体等的吸热/蓄热功能，实现空气自然冷却目的。同现有常规制冷手段相比，可显著降低资源消耗和环境污染。

改变原有空调系统向室内吹气的循环方式，通过优化设计管道系统，以太阳能电力驱动的抽气泵作为能源，结合热空气轻、冷空气重的特点，通过将总排气孔设置在建筑物高点以达到降低空气循环系统动力源能量消耗的目的，实现空气正向循环流动和持续降温。

研究利用建筑物内低温空间内的空气作为降温媒介，充分利用自然冷源，减少制造成本与制冷成本，研究成果具有普适性和明显的节能减排优势。

基于太阳能电力驱动的建筑内部冷热空气自然交换系统，其本身的太阳能驱动一方面可以大大减少不可再生能源及电力资源消耗，另一方面因较低的耗电避免了因燃烧煤等常规燃料发电带来的环境污染问题，同时利用建筑自身条件改变热冷空气交换避免了空调设备大量資源消耗和潜在污染问题。

三、国内研究现状

近年来，我国学者对土壤-空气换热系统的理论和应用开展了广泛研究，研究内容主要包括建立理论模型进行数学计算、应用数值模拟研究系统换热效果开展实验实测系统性能等方面。

20世纪60年代，我国学者就开始对土壤-空气换热系统进行研究。在研究初期，主要采用解析方法进行计算分析，建立地道壁面和空气换热的热平衡关系，通过热平衡方程推导各项参数，其结果对早期系统设计具有指导意义。

很多学者将土壤-空气换热系统与传统空调系统相结合进行研究，以改善地埋管的埋管面积小、土质条件差、管内空气品质不好等问题。提出将地埋管出口空气作为空气源热泵的低位热源，通过模拟与机组性能测试，证明系统换热性能优于普通空气源热泵，制热量和COP显著提高，同时改善了冬季结霜问题，在低温恶劣天气也能高效运行。李锐等人叫将地埋管与太阳能烟囱结合，采用正交模拟试验分析了不同因素对系统适用范围的影响，认为当烟囱高度在2-3m时，系统降温效果最佳。

四、国外研究现状

国外对土壤-空气换热器的研究起步早于国内，应用也更广泛先进。以美国为代表的一众国家于上世纪40年代起陆续开展土壤-空气换热系统的相关研究。在计算机仿真模拟方面，国外学者也做了大量研究。Mihalakakou定义了一个因数，利用三维耦合方法提出了新型传热传质模型，同时考虑了主要影响因素，可精确模拟换热过程在实际研究方面，国外学者注意到了系统本身如气候条件、管壁材料、管道埋深等因素，并设法在同一实验内研究其对性能的影响。德国学者Pfafferott对三幢应用土壤-空气换热系统的办公建筑进行实验，定义了两种温度变化率、系统换热效率比较模型，比较三个系统的影响因素，认为土壤及地表温度对系统性能有重要作用，管道材料密度则对换热影响极小。

国外一些学者也开展了大量土壤-空气换热系统与其他系统耦合的复合式系统研究。美国学者Li等人将土壤-空气换热系统和太阳能烟囱结合以提供建筑所需冷量，依靠太阳烟囱作用使热空气一直上浮，将新风补入室内，无需机械装置和电力驱动，大幅度提升节能性及制冷效果。瑞士学者Hollmuller等人认为，当土壤-空气换热系统与热回收系统耦合时，管道的热交换效果受到热回收效率的限制。Sung模拟了土壤-空气换热系统与建筑物既有空气源热泵结合的形式，证明在高温潮湿地区，这种系统能显著降低建筑的制冷能耗。

五、市场调查研究

目前市场上的核心制冷系统存在风扇、空调，土壤源热泵等，且各有弊端。空调效率很高，但消耗能源过度，又会引发温室效应，形成臭氧层空洞，还会使得空调外机附近温度上升加剧城市热岛效应，且排水处理不当可能引发污染;而传统土壤源热泵具有热堆积，对系统设计、运营管理的要求高，且投资较大的问题。本作品充分利用建筑物内低温区域的空气作为降温源，并利用太阳能为空气冷却系统设备提供动力，对中底层建筑、工业建筑具备广泛适用性。全国目前有城市，乡以及村镇共39327279家庭户，其中建筑层数不超过6层的共35750277户，占全部住户的90.9%。而在镇和乡村中，这个比例更分别高达95.1%和99.7%。在上述建筑中大多具备地下室、低温大厅等低温区域，且结合土壤可解决低温空间自然冷源储备不足的问题，具备本系统运行的各项环境要求。另一方面，随着互联网产业的兴起和信息时代的到来，对大数据机房如雨后春笋般建立起来，如何为小空间内集中的电子元器件降温，并且尽可能减小功耗和减少排放成为一个日益严重的问题。由于大数据机房通常具备地下室等低温区域作为配套设施，满足本系统适用条件，实现零碳排放条件下的室内降温目标。

六、结论

基于太阳能电力驱动的建筑内部冷热空气自然交换系统，其本身的太阳能驱动一方面可以大大减少不可再生能源及电力资源消耗，另一方面因较低的耗电避免了因燃烧煤等常规燃料发电带来的环境污染问题，同时利用建筑自身条件改变热冷空气交换避免了空调设备大量资源消耗和潜在污染问题。

本作品致力于以零污染低耗能为核心，用太阳能驱动电力，且冷热交换系统的安装过程简单，操作性强，成本低，采用时间控制等策略可以取得显著的降温效果，普适性强，故应用市场广阔，在应用前景方面具有一定的经济性效益。依托循环结构构建的太阳能制冷装置可用于炎热季节下室内降温，对于具有地下室空间的建筑物降的温效果更加明显，对于社会的绿色可持续发展具有重要意义。迎合当今市场和国家政策的最核心需求，既做到极低的污染和消耗，又最大程度满足了盛夏制冷的需要，在市场竞争中具有不可忽略的显著优势。本设计以清洁作为主要动力驱动方式，利用室内新型换风系统和建筑物内部低温冷源，可大大降低夏季室内降温能耗;本空气循环系统具有噪音小，效率高，应用范围广等优点，实现了建筑物内部气流正向循环降温，具有显著的经济效益和应用前景。

参考文献

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[4] 沈诸枫，丁杨，黄铁凇，张明星.基于空气交换一体化的多功能小窗户[J].中国科技信息，2021（10）：101-102.

作者简介：

郝正琦（2001-），男，汉族，山东滨州人，山东交通学院本科在读，金融学方向。

基金项目：

2021年山东省大学生实践创新训练项目“基于太阳能电力驱动的建筑内部冷热空气自然交换”（202111510197）。