西北寒冷地區(qū)淺層地道風(fēng)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：為探究地道風(fēng)技術(shù)在中國西北嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用潛力，該文以蘭州某淺層地道風(fēng)項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)其典型工況性能進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析不同工況下的換熱性能與節(jié)能效果。結(jié)果表明，蘭州地區(qū)-2.0 m淺層土壤夏季6—9月份平均溫度17.7 ℃，冬季12—3月份平均溫度4.5 ℃，6、7、12、1月份具有較強(qiáng)的換熱潛力。蘭州地道風(fēng)系統(tǒng)夏季不易出現(xiàn)冷凝水，出口新風(fēng)溫度皆處于室內(nèi)舒適溫度范圍內(nèi)，無需進(jìn)行二次降溫；冬季地道風(fēng)系統(tǒng)的出口溫度和濕度曲線變化更為平緩。12、1月份使用地道風(fēng)預(yù)熱，熱泵COP可提升28.1%～30.3%，降低能耗22.0%～23.3%。模擬結(jié)果表明地道風(fēng)系統(tǒng)換熱效率受地域與季節(jié)變化影響較小。

關(guān)鍵詞：地道風(fēng)；換熱性能；寒冷地區(qū)；節(jié)能

中圖分類號(hào)： TU83" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，建筑面積與建筑能耗也在不斷增高，推進(jìn)建筑節(jié)能是緩解中國能源緊缺的重要手段。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱蛨?chǎng)地條件，充分利用可再生能源，是設(shè)計(jì)綠色節(jié)能建筑的重要準(zhǔn)則，地道風(fēng)利用地道周圍土壤調(diào)節(jié)空氣溫濕狀態(tài)，常推廣應(yīng)用于被動(dòng)式建筑和低能耗建筑中［1-5］。已有眾多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值研究來評(píng)估氣流參數(shù)［6-12］、管道特性及布置［13-18］、地理氣候［19-21］等對(duì)地道風(fēng)性能的影響。Zajch等［20］比較加拿大地區(qū)在不同季節(jié)變化情景下地道風(fēng)的加熱和冷卻潛力，研究數(shù)據(jù)顯示相對(duì)于氣溫，地面溫度對(duì)季節(jié)變化的敏感度更高，該影響會(huì)隨深度的增加而減小，冷熱混合氣候地區(qū)的換熱潛力更易受到季節(jié)變化的影響。Sakhri等［11］研究管材及管長對(duì)地道風(fēng)換熱效率的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相同長度下鋼材與PVC兩種不同管材對(duì)地道風(fēng)的換熱性能影響較小，鋼管的高導(dǎo)熱率并不能明顯提升整體換熱性能，而管道長度越長，換熱性能越高，直到達(dá)到一定的限度。Benhamza等［2］將地道風(fēng)與住宅空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器相耦合，以提高后者的效率，結(jié)果表明空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）提高了20%，能效等級(jí)（energy efficiency ratio，EER）提高了19%，這種耦合方式在極熱天氣下能明顯提高空調(diào)效率。

目前，中國地道風(fēng)的研究工作主要集中在模擬分析地道風(fēng)的空氣換熱過程，探究地道風(fēng)的合理使用方法，提高可再生能源利用率。然而中國地道風(fēng)實(shí)際應(yīng)用案例較少，且地道風(fēng)的應(yīng)用受室外空氣狀態(tài)、周圍土壤溫度變化及氣候季節(jié)變化影響，不同地區(qū)具有明顯的差異性，中國西北寒冷地區(qū)晝夜溫差大，采暖時(shí)間長，需充分利用場(chǎng)地條件降低建筑能耗?；谝陨显颍疚囊蕴m州某淺層地道風(fēng)項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析中國西北嚴(yán)寒地區(qū)地區(qū)地道風(fēng)的應(yīng)用潛力，對(duì)其典型工況性能進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析不同工況下的換熱性能與節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)原理

研究項(xiàng)目為蘭州市某辦公建筑地道風(fēng)系統(tǒng)，地道風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，建筑面積2270 m2，室內(nèi)裝有7臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，6臺(tái)常啟，每個(gè)風(fēng)機(jī)流量650 m3/h，功率370 W。室外地道風(fēng)管道采用4根管線長均為30 m、直徑300 mm的高純度球墨鑄鐵管直埋敷設(shè)，距地下室外墻1.5 m，管間距均為0.6 m，距地面均為2 m。室外空氣由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入地埋管，通過壁面與周圍土壤進(jìn)行換熱，夏季降溫，冬季升溫，最后通過末端風(fēng)機(jī)供入室內(nèi)提供新風(fēng)。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置溫濕度記錄儀采集室外空氣溫濕度數(shù)據(jù)，4根地埋管末端采用多功能傳感器監(jiān)測(cè)出風(fēng)口溫濕度，周圍土壤層設(shè)置3個(gè)垂直測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤層溫度，測(cè)點(diǎn)深度分別為[-1.5、][-2.0、][-2.9] m，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔均為1 h。測(cè)量參數(shù)及儀器如表1所示。

2 淺層土壤換熱特性

2.1 淺層土壤溫度分布

淺層土壤通常深度處于地下5 m以上，土壤溫度隨季節(jié)而變化，太陽輻射和地表空氣溫度是影響淺層土壤溫度的主要因素。該項(xiàng)目通過測(cè)量儀器對(duì)地道附近土壤進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為2020年8月—2021年7月，測(cè)點(diǎn)深度分別為[-1.5、][-2.0、][-2.9] m，其全年變化趨勢(shì)如圖2所示，其中10月23日—11月9日系統(tǒng)檢修。

室外空氣溫度7月13日出現(xiàn)全年最高溫度38.4 ℃，1月7日出現(xiàn)全年最低溫度[-18.1 ℃]，年波動(dòng)幅度56.5 ℃；[-1.5 m]土壤層7月25日最高溫度23.1 ℃，1月21日最低溫度0.9 ℃；[-2] m土壤層7月30日最高溫度20.9 ℃，1月29日最低溫度2.3 ℃；[-2.9] m土壤層7月30日最高溫度17.3 ℃，1月30日最低溫度4.9 ℃。

隨著土壤深度的增加，淺層土壤溫度變化波峰波谷逐漸滯后，波動(dòng)幅度逐漸減小，深度為1.5 m時(shí)，波動(dòng)幅度為22.2%，為室外空氣溫度年波動(dòng)幅度的39.3%；深度為2 m時(shí)，波動(dòng)幅度為18.6%，為室外空氣溫度的33.0%；深度為2.9 m時(shí)，波動(dòng)幅度為12.9 ℃，僅為室外空氣溫度的22.8%。

2.2 換熱潛力

如圖3a及圖3b所示，蘭州新區(qū)6—9月份[-2.0 m]土壤層平均溫度17.7 ℃，室外空氣溫度在7.6～38.4 ℃之間，室外空氣溫度高于地下2.0 m處土壤層溫度的時(shí)長為1710 h，占比58.4%；12—3月份[-2 m]土壤層平均溫度4.5 ℃，室外空氣溫度在[-18.1～27.8 ℃]之間，室外空氣溫度低于地下2 m處土壤層溫度的時(shí)長為2030 h，占比69.3%。冬夏兩季室外晝夜溫差大，這是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)空氣含濕量低，日氣溫波動(dòng)受太陽輻射影響較大。

為探究蘭州新區(qū)地道風(fēng)換熱潛力，將全天分為3個(gè)時(shí)間段，白天（08：00—18：00）、傍晚（19：00—23：00）、夜間（00：00—07：00），分別計(jì)算冬夏兩季各月2.0 m深度土壤溫度與室外空氣溫度平均溫差，如表2所示。

如表2所示，其中夏季換熱溫差為室外空氣溫度減土壤溫度[ΔTs=Tair-Tsoil]，冬季換熱溫差為土壤溫度減室外空氣溫度[ΔTw=Tsoil-Tair]，蘭州新區(qū)夏季室外空氣溫度與土壤溫度溫差處于[-16.4～20.6 ℃]之間，由于蘭州夏季室外空氣溫度波動(dòng)大，晝夜溫差大，造成溫差跨度范圍較大。而冬季室外空氣溫度與土壤溫度溫差處于[-21.5～21.2 ℃]之間，相比夏季溫差波動(dòng)范圍提高了15.4%，可知蘭州冬季相比夏季室外氣溫波動(dòng)更為劇烈。夏季地道風(fēng)在6、7月份白天具有較強(qiáng)的換熱潛力，能有效降低送風(fēng)溫度，而隨著室外氣溫的降低，8、9月份的換熱潛力不斷下降；冬季地道風(fēng)在12、1月份夜間具有較強(qiáng)的換熱潛力，有效提高送風(fēng)溫度，而隨著室外氣溫的升高，2、3月份的換熱潛力不斷下降。

3 地道風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)效分析

3.1 夏季地道風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行性能

選取夏季最熱月7月份進(jìn)行分析，圖4為7月份地道風(fēng)溫度變化及太陽輻照度變化，其中太陽輻照度，露點(diǎn)溫度通過焓濕圖確定。入口空氣溫度隨太陽輻照度而變化，整體變化趨勢(shì)基本一致。7月份室外空氣露點(diǎn)溫度皆低于出口空氣溫度，地道風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，空氣中水蒸氣未發(fā)生相變產(chǎn)生凝結(jié)水。

圖5為7月份地道風(fēng)出口、入口空氣相對(duì)濕度變化，出口空氣相對(duì)濕度多數(shù)時(shí)間高于入口空氣相對(duì)濕度，這是由于在水蒸氣未發(fā)生相變凝結(jié)的情況下，相對(duì)濕度隨空氣溫度降低而增大。

由圖4、圖5可知，7月份地道風(fēng)出口空氣溫度處于16.7～25.0 ℃之間，皆處于人體最適溫度區(qū)間，平均出口空氣溫度19.8 ℃，最大單日出口空氣溫度波動(dòng)5.0 ℃，為當(dāng)日入口空氣溫度波動(dòng)的20.8%。入口空氣相對(duì)濕度處于12.3%～84.7%之間，平均入口空氣相對(duì)濕度45.7%；而出口空氣相對(duì)濕度處于21.7%～81.6%之間，平均出口空氣相對(duì)濕度60.4%，相對(duì)入口整體升高，但波動(dòng)幅度有所減小。

空氣相對(duì)濕度由儀器測(cè)得，通過王啟山［22］飽和水蒸氣分壓力經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算出濕空氣飽和分壓力[pS]，由此計(jì)算出含濕量[d]，公式為：

根據(jù)6臺(tái)新風(fēng)機(jī)流量令空氣體積流量[qV=3900] m3/h，由于蘭州當(dāng)?shù)卮髿鈮?5.325 kPa，取空氣密度[ρ=1.014] kg/m3。

本文通過選取具有典型性天氣期間數(shù)據(jù)，對(duì)7月12日—16日期間數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖6所示。

圖7中，入口空氣溫度處于15.6～38.4 ℃之間，出口空氣溫度處于17.9～23.6 ℃之間，波動(dòng)幅度相比入口降低75.0%；7月12日、7月13日、7月16日3天最高空氣入口溫度分別為36.2、38.4、34.7 ℃，7月14日、7月15日兩天最高空氣入口溫度分別為29.4、28.5 ℃，平均降幅7.5 ℃。而7月12日、7月13日、7月16日3天最高空氣出口溫度分別為22.9、23.6、23.1 ℃，7月14日、7月15日兩天最高空氣出口溫度分別為22.0、21.8 ℃，平均降幅1.3 ℃，可見出口空氣溫度穩(wěn)定，受天氣影響較小。地道風(fēng)的制冷功率與入口空氣溫度呈正相關(guān)，7月13日最大制冷功率達(dá)到17.3 kW，地道單位長度換熱功率0.14 kW/m，而7月14日小雨天氣最大制冷功率9.3 kW，7月15日最大制冷功率8.0 kW，地道風(fēng)單位長度換熱功率分別為0.08、0.07 kW/m，相比7月13日分別下降46.2%、53.8%，夏季地道風(fēng)制冷功率受天氣影響較大。

由表3可知，晴天天氣地道風(fēng)進(jìn)出口溫差及焓降皆明顯高于其他天氣，晴天白天相比陰雨天氣焓降平均升幅達(dá)57.7%。

3.2 冬季地道風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行性能

由圖7、圖8可知，1月份地道風(fēng)出口空氣溫度處于[-1.2～]4.9 ℃之間，平均出口空氣溫度2.1 ℃，最大單日出口空氣溫度波動(dòng)5.2 ℃，為當(dāng)日入口空氣溫度波動(dòng)的17.7%。入口空氣相對(duì)濕度處于21.7%～81.6%之間，平均入口空氣相對(duì)濕度40.9%；而出口空氣相對(duì)濕度處于8.4%～56.1%之間，平均出口空氣相對(duì)濕度24.5%，相對(duì)入口整體降低，波動(dòng)幅度大幅減小。

冬季1月份與夏季7月份相比，出口空氣溫度波動(dòng)幅度下降26.5%，相對(duì)濕度波動(dòng)幅度下降20.4%，同時(shí)夏季圖5、圖6對(duì)比冬季圖7、圖8溫濕度變化可發(fā)現(xiàn)，冬季地道風(fēng)系統(tǒng)的出口溫度和濕度曲線更為平緩。

選取具有典型性天氣期間數(shù)據(jù)，對(duì)1月13日—17日期間數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖9及表4所示。

圖9中，入口空氣溫度處于[-18.1～4.6 ℃]之間，出口空氣溫度處于[-1.6～2.9 ℃]之間，波動(dòng)幅度相比入口降低80.2%；1月15日、1月16日兩天最低空氣入口溫度分別為[-15.9、-18.1 ℃，]1月13日、1月14日、1月17日3天最低空氣入口溫度分別為[-12.8、-13.5、-17.0 ℃]，平均升幅2.6 ℃。而1月15日、1月16日兩天最低空氣出口溫度分別為[-1.0、][-1.6 ℃，]1月13日、1月14日、1月17日3天最低空氣出口溫度分別為0.5、[-0.1、-1.2 ℃]，平均降幅1.3 ℃，出口空氣溫度穩(wěn)定，受天氣影響較小。地道風(fēng)的制熱功率與入口空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，1月16日最大制熱功率達(dá)到22.5 kW，地道風(fēng)單位長度換熱功率0.19 kW/m，而1月13日、1月14日晴天最大制熱功率分別為18.1、17.7 kW，地道風(fēng)單位長度換熱功率分別為0.15、0.14 kW/m，相比1月16日分別下降19.6%、21.3%，與夏季相比，冬季地道風(fēng)換熱功率受天氣影響有所減小。

由表4可知，陰雪天氣地道風(fēng)進(jìn)出口溫差及焓差皆明顯高于其他天氣，晴天白天相比陰雪天氣焓升平均降幅達(dá)84.1%，晴天全天平均焓升波動(dòng)較大，且前文提及陰雪天氣地道風(fēng)的最大換熱功率為22.5 kW，也明顯高于其他天氣，因此陰雪天氣具有更好的加熱效果。

4 系統(tǒng)節(jié)能分析

以上分析表明，地道風(fēng)對(duì)新風(fēng)具有良好的調(diào)溫調(diào)濕效果，降低設(shè)備制冷與供熱能耗，本文通過將地道風(fēng)系統(tǒng)與制熱制冷設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，分析其節(jié)能效益。地道風(fēng)的換熱量[Q]由式（4）進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)機(jī)功耗用[W]表示，6臺(tái)總功耗取2.22 kW，地道風(fēng)換熱性能系數(shù)COP由式（5）計(jì)算。

δCOP=Q/W（5）

夏季地道風(fēng)系統(tǒng)可提供16～25 ℃新風(fēng)，無需進(jìn)行二次降溫處理，每月累計(jì)制冷量如表5所示。

相比6、7月份制冷量，8、9月份大幅度下降，這是由于室外溫度變化所引起，6、7月份室外溫度高于26.0 ℃時(shí)長分別為126、280 h，而8、9月份分別只有112、10 h，可見9月份新風(fēng)冷負(fù)荷較低。對(duì)比冷水機(jī)組能效等級(jí)［23］，6、7月份地道風(fēng)系統(tǒng)COP大于等于3.2，處于風(fēng)冷式或蒸發(fā)冷卻式1級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)。夏季地道風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需能耗2708.4 kWh，若以風(fēng)冷式機(jī)組COP為3.2進(jìn)行計(jì)算比較，地道風(fēng)系統(tǒng)夏季可減少制冷所需電量2063.4 kWh，同比降低43.2%。

冬季地道風(fēng)每月累計(jì)制冷量如表6所示，總換熱量相比夏季提高140.8%，12—3月份[-2.0] m土壤層平均溫度4.5 ℃，各月進(jìn)口空氣溫度低于4.5 ℃時(shí)長分別為672、641、413、[234 h]，每月制冷量隨之而下降。將空氣源熱泵單獨(dú)供暖與地道風(fēng)系統(tǒng)和空氣源熱泵結(jié)合供暖兩種方案進(jìn)行對(duì)比，通過參考文獻(xiàn)［24］的熱泵擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算出兩種方案下熱泵COP，擬合過程及公式如下：

選取蘭州空氣源熱泵典型工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)COP進(jìn)行線性擬合，在非低溫工況下，冷凝器進(jìn)口水溫[tin]與環(huán)境溫度[ta]的差值（[tin-ta]）和COP近似呈線性關(guān)系，以（[tin-ta]）為主要變量，忽略相對(duì)濕度影響可得擬合系數(shù)[a2]；考慮相對(duì)濕度的影響，以干濕球溫度差值（[ta-tw]）為次要變量，得到修正系數(shù)[a3]及截距[a1]，擬合結(jié)果為式（6）。而在低溫工況下，（[ta-tw]）和COP呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，引入系數(shù)[a4]與[a5]，同時(shí)修正截距，引入系數(shù)[a6]與[a7]，擬合結(jié)果為式（7），熱泵COP經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：

式中：[ta]——環(huán)境干球溫度，℃；[tw]——環(huán)境濕球溫度，℃；[tin]——冷凝器進(jìn)口水溫，℃。

冷凝器進(jìn)口水溫[tin]設(shè)定為30 ℃，環(huán)境濕球溫度[tw]由焓濕圖確定。式（6）和式（7）中，[a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7]均為擬合系數(shù)，其數(shù)值見表7。

經(jīng)過計(jì)算兩種方案月平均COP如表8所示，12月份和1月份地道風(fēng)對(duì)熱泵COP有所提升，可提升熱泵性能28.1%～30.3%，而2、3月份則無明顯變化，這是由于2、3月份地道風(fēng)空氣溫升與焓升較小，換熱量較低，對(duì)熱泵性能影響不大。相比單獨(dú)使用熱泵，使用地道風(fēng)后12月可降低能耗23.3%，1月份可降低能耗22.0%。

5 不同地域模擬分析

利用Fluent進(jìn)行建模模擬，探究在西北不同區(qū)域該地道風(fēng)系統(tǒng)換熱性能變化。結(jié)合該地道風(fēng)系統(tǒng)2021年1月15日出口溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖10所示，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的絕對(duì)偏差范圍為0～0.45 ℃，相對(duì)誤差范圍在11.9%以內(nèi)，驗(yàn)證了該模型的可靠性。

將蘭州、西安、銀川3個(gè)區(qū)域的土壤熱物性、室外1、7月份平均溫度等參數(shù)［25-27］代入模型進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)如表9所示。在其他參數(shù)不變的情況下模擬此系統(tǒng)在西北寒冷地區(qū)

不同城市的換熱性能，結(jié)果如圖11所示。同時(shí)引入換熱效率[η]，進(jìn)出口空氣實(shí)際溫差與理論最大溫差之比，反應(yīng)系統(tǒng)的換熱能力。

式中：[η]——地道風(fēng)系統(tǒng)的換熱效率；[tair-in]——地道入口處空氣的干球溫度，℃；[tair-out]——地道出口處空氣的干球溫度，℃；[ts]——地層某一深度的原始溫度，℃。

根據(jù)不同城市1月和7月平均室外溫度進(jìn)行模擬，可看出在其他條件不變的工況下，該地道風(fēng)系統(tǒng)在西北不同地域的差異性，西安冬夏兩季地道風(fēng)進(jìn)出口溫差皆低于1.5 ℃，銀川冬季相比蘭州進(jìn)出口溫差處于同一水準(zhǔn)，而夏季則低于蘭州；不同地域室外溫度與土壤溫度的差異性導(dǎo)致了地道風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)出口溫差的不同，但從換熱效率的角度分析，冬夏兩季3個(gè)城市的換熱效率皆處于28%～29%之間，受地域與季節(jié)變化影響較小。

6 結(jié) 論

蘭州地區(qū)[-2] m淺層土壤夏季6—9月份平均溫度17.7 ℃，冬季12—3月份平均溫度4.5 ℃；6、7月份室外空氣與-2.0 m土壤層白天平均溫差分別為8.33、8.58 ℃，以上4個(gè)月具有較強(qiáng)的換熱潛力，地道風(fēng)技術(shù)易適用于西北寒冷地區(qū)。

蘭州地區(qū)夏季室外空氣露點(diǎn)溫度均低于-2.0 m淺層土壤溫度，地道風(fēng)系統(tǒng)不易出現(xiàn)冷凝水。夏季地道風(fēng)出口新風(fēng)溫度皆處于室內(nèi)舒適溫度范圍內(nèi)，無需進(jìn)行二次降溫；冬季地道風(fēng)系統(tǒng)的出口溫度和濕度曲線變化相比夏季更為平緩。

該地道風(fēng)系統(tǒng)在蘭州地區(qū)夏季對(duì)比COP為3.2的風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組，可減少43.2%制冷所需電量；冬季12、1月份使用地道風(fēng)預(yù)熱，可提升熱泵性能28.1%～30.3%，降低能耗22.0%～23.3%。

地道風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)出口溫差在西北不同地域受氣候與土壤溫度等因素影響，但換熱效率受地域與季節(jié)變化影響較小。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ LEKHAL M C， BELARBI R， MOKHTARI A M， et al. Thermal performance of a residential house equipped with a combined system： a direct solar floor and an earth-air heat exchanger［J］. Sustainable cities and society， 2018， 40： 534-545.

［2］ BENHAMZA M E， BRIMA A， HOUDA S， et al. Contribution to the study of the reduction of energy consumption through the exchanger coupled conventional air-ground-air conditioner. application to the building［J］. Heat transfer-Asian research， 2017， 46（8）： 1104-1118.

［3］ VAZ J， SATTLER M A， DAS BRUM R， et al. An experimental study on the use of earth-air heat exchangers （EAHE）［J］. Energy and buildings， 2014， 72： 122-131.

［4］ REY-HERNáNDEZ J， VELASCO-GóMEZ E， SAN JOSé-ALONSO J， et al. Monitoring data study of the performance of renewable energy systems in a near zero energy" building" in" Spain：" a" case" study［J］." Energies， 2018， 11（11）： 2979.

［5］ CAO S H， LI F， LI X， et al. Feasibility analysis of earth-air heat exchanger （EAHE） in a sports and culture center in" " Tianjin，" " China［J］." " Case" " studiesnbsp; " in" "thermal engineering， 2021， 26： 101054.

［6］ ZHAO Y J， LI R Y， JI C F， et al. Parametric study and design of an earth-air heat exchanger using model experiment for memorial" "heating" " and" " cooling［J］." "Applied thermal engineering， 2019， 148： 838-845.

［7］ YUSOF T M， IBRAHIM H， AZMI W H， et al. Thermal analysis" of" earth-to-air" heat exchanger" using" laboratory simulator［J］. Applied thermal engineering， 2018， 134： 130-140.

［8］ NIU F X， YU Y B， YU D H， et al. Heat and mass transfer performance analysis and cooling capacity prediction of earth" to" air" heat" exchanger［J］. Applied" energy， 2015， 137： 211-221.

［9］ SINGH B， KUMAR R， ASATI A K. Influence of parameters on performance of earth air heat exchanger in hot-dry" "climate［J］." Journal" "of" mechanical" science" and technology， 2018， 32（11）： 5457-5463.

［10］ AGRAWAL K K， MISRA R， DAS AGRAWAL G. To study the effect of different parameters on the thermal performance of ground-air heat exchanger system： in situ measurement［J］. Renewable energy， 2020， 146： 2070-2083.

［11］ SAKHRI N， MENNI Y， AMEUR H. Effect of the pipe material and burying depth on the thermal efficiency of earth-to-air heat exchangers［J］. Case studies in chemical and environmental engineering， 2020， 2： 100013.

［12］ QI D， LI A G， LI S X， et al. Comparative analysis of earth to air heat exchanger configurations based on uniformity and thermal performance［J］. Applied thermal engineering， 2021， 183： 116152.

［13］ CUNY M， LIN J， SIROUX M， et al. Influence of an improved surrounding soil on the energy performance and the design length of earth-air heat exchanger［J］. Applied thermal engineering， 2019， 162： 114320.

［14］ TASDELEN F， DAGTEKIN I. A numerical investigation of thermal performance of earth-air heat exchanger［J］. Arabian journal for science and engineering， 2019， 44（2）： 1151-1163.

［15］ DASILVA BRUM R， VAZ J， OLIVEIRA ROCHA L A D， et al. A new computational modeling to predict the behavior of earth-air" "heat" " exchangers［J］." Energy" "and" buildings， 2013， 64： 395-402.

［16］ BANSAL V， MISRA R， DAS AGRAWAL G D， et al. Performance analysis of earth-pipe-air heat exchanger for summer cooling［J］. Energy and buildings， 2010， 42（5）： 645-648.

［17］ BENHAMMOU M， DRAOUI B. Parametric study on thermal performance of earth-to-air heat exchanger used for cooling of buildings［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2015， 44： 348-355.

［18］ AHMED S F， AMANULLAH M T D， KHAN M M K， et al. Parametric study on thermal performance of horizontal earth pipe cooling system in summer［J］. Energy conversion and management， 2016， 114： 324-337.

［19］ CHIESA G， ZAJCH A. Geo-climatic applicability of earth-to-air heat exchangers in North America［J］. Energy and buildings， 2019， 202： 109332.

［20］ ZAJCH A， GOUGH W A. Seasonal sensitivity to atmospheric and ground surface temperature changes of an open earth-air heat exchanger in canadian climates［J］. Geothermics， 2021， 89： 101914.

［21］ AHMED S F， KHAN M M K， AMANULLAH M T O， et al. A parametric analysis of the cooling performance of vertical earth-air heat exchanger in a subtropical climate［J］. Renewable energy， 2021， 172（4）： 350-367.

［22］ 王啟山. 常見溫度下飽和水蒸汽分壓力的計(jì)算［J］. 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1986， 2（2）： 40-43.

WANG Q S. Calculation of partial pressure of saturated water vapor at common temperature［J］. Journal of Tianjin University of Technology， 1986， 2（2）： 40-43.

［23］ GB 19577—2015， 冷水機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)［S］.

GB 19577—2015， Minimum allowable values of energy efficiency and energy efficiency grades for water chillers［S］.

［24］ 張東， 李金平， 劉偉， 等. 噴氣增焓空氣源熱泵熱性能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2014， 65（12）： 5004-5009.

ZHANG D， LI J P， LIU W， et al. Thermal performance evaluation and prediction of enhanced vapor injection air source heat pump［J］. CIESC journal， 2014， 65（12）： 5004-5009.

［25］ 趙霄強(qiáng)， 劉智勇， 閆丹麗， 等. 蘭州地區(qū)土壤熱物性參數(shù)計(jì)算及垂直U型管非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模擬［J］. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 34（1）： 146-150.

ZHAO X Q， LIU Z Y， YAN D L， et al. Thermophysical property calculation of soil and numeric simulation of unsteady temperature field of U-vertical buried pipe in Lanzhou Area［J］. Journal of Lanzhou Jiaotong University， 2015， 34（1）： 146-150.

［26］ 官燕玲， 張小剛， 梁草茹， 等. 西安地區(qū)土壤源熱泵地埋管換熱的巖土影響因素區(qū)域分布［J］. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 46（4）： 565-572.

GUAN Y L， ZHA G X G， LIANG C R， et al. Regional distribution" "of" "rock-soil" "influences" "for" "ground" "heat exchange of ground-source heat pump in Xi’an Area［J］. Journal of Northwest University （natural science edition）， 2016， 46（4）： 565-572.

［27］ 楊超. 銀川地區(qū)淺層地溫能資源綜合評(píng)價(jià)研究［D］. 西安： 長安大學(xué)， 2017.

YANG C. Research on the comprehensive evaluation of shallow" geothermal" "energy" "resource" "in" "Yinchuan［D］. Xi’an： Chang’an University， 2017.

EXPERIMENTAL STUDY ON PERFORMANCE OF EARTH-AIR HEAT EXCHANGER SYSTEM IN COLD REGION OF NORTHWEST CHINA

Zhang Dong1，2，Liu Chunyang1，2，Zhao Kexin1-3，An Zhoujian1，Peng Jianming4，Zhao Zhouyang4

（1. School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China；

2. Gansu Key Laboratory of Biomass and Solar Complementary Energy Supply System， Lanzhou 730050， China；

3. CSCEC AECOM Consultants Co.， Ltd.， Lanzhou 730000， China；

4. Lanzhou Branch of China Academy of Building Research Co.， Ltd.， Lanzhou 730030， China）

Abstract：In order to explore the application potential of earth-air heat exchanger technology in the severe cold regions of Northwest China， this paper takes a earth-air heat exchanger system in Lanzhou as the research object， conducts actual measurement of its typical working conditions and analyzes the heat transfer performance and energy-saving effects under different working conditions. The results show that the average temperature of 2.0 m shallow soil in Lanzhou is 17.7 ℃ from June to September in summer. The average temperature from December to march in winter is 4.5 ℃. June， July， December and January have strong heat exchange potential. In Lanzhou， condensed water is not easy to occur in the earth-air heat exchanger system in summer. The outlet fresh air temperature is within the indoor comfortable temperature range， so there is no need for secondary cooling. The change of outlet air temperature and humidity curve of earth-air heat exchanger in winter is more gentle. In December and January， using the earth-air heat exchanger for preheating， the heat pump COP can be increased by 28.1%-30.3%， and the energy consumption can be reduced by 22.0%-23.3%. The simulation results show that the heat transfer efficiency of earth-air heat exchanger system is less affected by regional and seasonal variation.

Keywords：earth-air heat exchanger； heat transfer performance； cold region； energy consumption

收稿日期：2022-05-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51806093）；甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2021CYZC-27）；蘭州理工大學(xué)紅柳杰出青年教師培養(yǎng)計(jì)劃

通信作者：張 東（1985—），男，博士、副教授，主要從事可再生能源系統(tǒng)方面的研究。zhdlgn@126.com