地热恒温空气交换系统

邹 颖 陈 垚 陈晓倩 翟志东

（长安大学环境科学与工程学院 陕西 西安 710054）

当前室内空气调节设施主要有空调，暖气，热泵等，并且技术已经达到相当高度，能基本满足人们日常生活对室内环境舒适度的要求：如降温，除湿，升温，净化空气等。同时也存在许多缺陷与隐患：空调病的产生；目前使用的制冷剂对人体和环境有一定危害；给电力带来很大的压力；阴阳离子正常比例失调造成人体生理的紊乱；室内外温差过大，引起人体不适。室内温度调节系统的使用，确实改善了室内环境，但是由于过分强调控温效果而使室内形成密闭空间，空气不能充分流通，对人类健康反而不利。热泵利用地热解决了能耗问题，但又会造成破坏地表植被等一系列环境问题。并且当前控温装置耗能之大，对环境的危害却违背了可持续发展的理念。

地热恒温空气交换系统就是为了解决以上问题而提出的。我们设想：冬天，在暖气房中，为了维持暖气效果而紧闭窗户。由于人的活动，使得室内的二氧化碳浓度上升，氧气浓度下降，容易引起头晕目眩，思想不集中，无法思考等问题。此时，我们不得不打开门窗通风换气。但是冷风入侵，空气得到充分交换也降低了室内温度，不舒适感上升。同样的，在夏季，大部分人群还是会选择紧闭门窗来减少电能的消耗，毕竟，对当前非常节能的空调系统来说仍然是一笔不小的开支。

我们进行了如下假设：怎样将室外的新鲜的空气经过升降温度后导入到室内，尽量减少能耗，维持室内空气的新鲜程度，并尽可能减少对环境和人体的的负面影响。

为了尽可能减少能耗，我们将视线投向了地热，这是一种绝对清洁的能源，并且取之不尽，用之不竭。但是怎样改进才能减少对环境的负面影响呢。

地热恒温空气交换系统就是利用土壤在一定深度以下的温度维持在13℃-18℃之间的原理。冬季，室外的新鲜空气通过埋在地下的管道从大地收集热量后由室内终端设备释放到室内的空间中；在夏季，室外空气的多余热量通过地下管道为大地所吸收，实现室内温度的下降。因此，本系统不仅可以保持室内空气新鲜，还可以实现空调的部分功能。

为了使进入管道的空气维持在舒适的温度，管道必须足够长，但是寸土寸金的地区，采用过长的直线型管道显然是不经济也是不切实际的。所以本系统采用螺旋管道，并将管道表面设计成肋形以增强换热，有规则的凹凸的表面增大了换热面积。在进口处以及运用到高层时附加的气体推进装置可以防止流动损失；北方干燥地区，室外的空气湿度无法满足人体需求，在室内气体出口处安装加湿装置；为了保证材料绝对环保，本系统地面以下的管道采用日丰管（该材料能在地下保存较长时间并且对土壤不会造成太大影响），地面以上的管道采用PPC管，管材的选用主要为了满足壁厚薄，便于换热，耐腐蚀，流体流动阻力小，使用寿命长，费用低，易维护的特点。

为了避免传统的通风空调方式——混合通风的问题：室内的污染物被“稀释”，到达工作区的空气远不如风口送出的那样新鲜，送风速度和随送风量过大给人们造成的不适，我们采用置换法送风：将处理过的空气直接送入人的工作区（呼吸区），使人率先接触到新鲜空气，使人直接处于新鲜空气的影响范围内，时时刻刻处于舒适的环境中，改善呼吸区的空气品质。

针对地热恒温空气交换系统的核心部分——温度调控装置，结合西安土壤环境背景值，对土壤取热的变化趋势建立相关的非线性数学回归模型验证系统的合理性。运用流体力学和工程热力学的相关公式得到土壤温降数学模型：

空气经过一个长10m、直径320mm的管道与土壤进行换热（即冷空气被土壤加热）。已知：土壤原始温度为18℃，空气温度为-3.2℃，空气速度为3m/s，土壤按粘土考虑。下图是管道尺寸：

假设空气能从土壤中得到所需热量。

空气由-3.2℃升温到18℃从土壤中吸收的热量为：

根据半无限大物体的瞬态传热可知，土壤的热渗透深度为：

最终得到土壤温度随时间变化关系。这里截取部分图表。

土壤温度随时间变化关系

模型进行大量的数据模拟，证明本方案切实可行。

只要温度适宜的新鲜空气能够进入到室内，达到可接受的室内空气品质，并且尽可能降低能耗，对环境不造成污染，我们可以认为，本方案已经完成了预定目标。

该方案经过验证之后切实可行，并且不会产生二次污染。运用同样的思路与方法，结合不同地区的土壤环境背景，其适用范围可以延伸至全国各大城市，甚至引出国外。只要地热恒温空气交换系统得到更大范围的使用，我们在可以更大限度的降低室内空气温度调节系统给环境所带来的危害面的同时为人们送去清新宜人、湿度适宜的空气。

地热恒温空气交换系统采用地热这种容易被人忽略但是地球上储藏丰富的资源，利用空气流体等知识，安全环保，减少能源消耗，符合低碳生活的理念。

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