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管式和板式地下土壤-空气热交换器的热性能比较
摘要：本文对两种地下土壤-空气换热器的热性能进行了比较。这项研究对象包括一种新型的具有两层布置的管式换热器和一种新型的板式换热器，其中空气与地面直接接触。在相同的天气和地面条件下，在相同的交换器表面积（12mtimes;28 m）下，对两种系统进行了实验测试。结果表明，在加热方式下的管式地空换热器能量增益为13.5 MWh，板式地空换热器的能量增益为16.35 MWh。在夏季(冷却通风)管式地空换热器提供10.3 MWh能量，而板式地空换热器提供20.41 MWh能量。结果表明，在冬季，板式换热器的通风空气湿度平均每小时增加约1.45g/m3。实验结果表明，在波兰东北部的气候条件下，夏季和冬季使用两种类型的换热器都是节能的。
关键词：管式地空换热器；板式地空换热器；冷却加热潜力；可再生能源；通风设备
1.引言
由地下土壤-空气换热器辅助的机械通风系统的应用越来越广泛。通过地下土壤-空气换热器进入建筑物的空气是经过预处理的——不仅在冬天进行加热和加湿或者在夏天进行冷却和干燥，而且还清理了空气中的污染物。
地下土壤-空气换热器的工作原理是以地面与通风空气的热交换为基础的。该系统从过滤进气口开始，空气从进气口被引导到地面下，然后流向通风单元。换热器有多种类型，如砾石换热器、平板换热器、梳状换热器、管道换热器或乙二醇换热器。
砾石热交换器最重要的部件是砾石层，吸入的空气通过进气口流入砾石层。多层砾石叠在地下大约1米的地方，这使得通过它的空气的温度和湿度发生变化成为可能。热量在没有任何薄膜阻碍的情况下在地和空气之间交换。
板式换热器是基于流通过板下方的空气与50mm砾石床(水洗砾石和使用直径10-20mm颗粒水洗过的砂子)之间的热交换。然后在结构上覆盖一层聚苯乙烯(厚度100-120毫米)，模拟在地面以下8米的深度。这个系统也是无膜进行热交换的。
梳状换热器是一种更现代的设计，其中热量交换也是没有膜的。因为换热器是由两个“梳子”组成，由其供应和排出空气。它的名字也由此而来。空气通过波纹管分布，通过一层砾石(200毫米)，并在波纹管中回收。在上方还安装了喷水灭火系统(改善了夏季的再生和冬季的增湿)，并覆盖了一层保温材料。建议安装深度为1米。
当空气流经地下管道系统时，这种换热器称为管式换热器。这些装置安装在地下1.5-2米的地方。管道系统应该有40-60米长，直径等于通风单元的喷嘴。根据可用空间的大小，管式换热器可以有不同的配置，其中最受欢迎的是Tichelmann系统。
乙二醇换热器的工作原理类似于地源热泵 120-250米长，直径为2040毫米的管道填充乙二醇，并铺设在地面1.5-1.8米下。热量通过空气进入乙二醇/空气交换器释放到空气中，该方案特别有利于在“不良”地质条件下实行。 其最明
显的缺点是它不会改善通风空气的质量。
地下土壤-空气换热器是一个众多研究的研究主题，主要集中在基于管和基于砾石的系统上的研究上。
在德国进行了对中欧气候条件下的地面交换器研究Pfafferott比较了三个GAHE装置的热性能，这三个装置位于：DBNetz AG (Hamm)、Fraunhofer ISE (Freiburg)和Lamparter Office(Weilheim)。第一个装置所设计的空气流动量为12000m3 /h，其由26根直径为0.2米，长度为67至107米的管道组成。下一个装置由7根直径为0.25米，长度为95米，平均气流量为7000m3/h的管道组成。第三个装置的设计的气体流动量为1200m3/ h，其装置用2根直径为0.35米，长90米的管子建造。该研究于2001年和2002年期间进行。研究的结果表明上述的三个系统的年加热能量增益分别为27700 kWh，26800 kWh，3200 kWh。而制冷能量增益依次为22300kWh，12400kWh，2400kWh。
吴等人研究了南方气候条件下地下土壤-空气换热器的制冷和加热性能。基于数值流体力学算法的模型的计算结果与实验所测试的结果是一致的。结果表明，所分析的系统能够在200mm管道提供的日冷量为43.2kWh，在300mm管道上提供的日冷量为74.6kWh。
在印度进行了大量关于GAHE效率的研究。由Babsal等人提出的实验测试结果，是用于验证Ansys Fluent仿真环境中开发的模型。 结果表明，基于150mm的管道的23.42m长的GAHE系统能够产生423.36至846.72kWh的能量，其中流速为2至5m/s。此外，还证明了管道（钢，聚氯乙烯）的材质也与通过管道的空气流量不同，不会没有影响GAHE的性能。
Misra等人在Ajmer(印度)的炎热和干燥气候条件下确定了GAHE的热性能。将CFD模拟数据与埋于3.7m深的60m长(内径0.1m)的管道系统的实验结果进行了比较。对系统连续运行和地面热导率对系统性能的影响进行了分析，找出了这两个参数的意义。研究发现，该系统的持续运行降低了空气预热，这取决于地面的导热系数。结果表明，系统以5m/s的风速运行24h后，空气的加热温度由19.4℃降至17.2℃，空气的冷却温度由18.7℃降至16.6℃。
在日内瓦对中欧气候变化条件下的GAHE进行了广泛的研究。Hollmuller和Lachal开发了一个考虑了多种运行参数的数值模型，例如空气流速和流动方向变化，非均匀土壤，非绝热横向边界条件或潜热交换等多种参数。长期的监测确认了模型的准确性。 研究的结果显示出更紧凑的管道系统中产生22.4千瓦时的热量增益，而更松散的管道布置系统中则获得66.8 kWh的冷却能源。
杨等人开发了分析模型，来确定考虑到周期性变化的空气和土壤温度下GAHE的性能。他们对重庆(中国)的气候条件进行了模拟。假定管径为0.1m，长度为100 m，风量为360 m3/h，计算结果表明，GAHE可使夏季通风空气温度降低7℃，在通风流量为720 m3/h的条件下，可使冷却或者加热负荷降低3kW。
Soni等人研究了印度中部地区典型气候条件下GAHE对降低典型窗式空调能耗的影响。地面换热器埋在地下3m，使用的管道为直径0.05m，长度11m的镀锌钢管。经济分析表明，GAHE的使用可使制冷用电量降低10.9%。
Uddin等人测试了从GAHE中流出的空气参数。该试验台位于孟加拉国，由一根直径0.38m的管道组成，长14.3m，在地面下2.44m。研究结果表明，夏季的气温下降了6℃，冬季的气温上升了9℃。
Mathur等人在Jaipur (印度)的能源和环境中心对直线布置和螺旋布置的GAHE进行检测。换热器的占地面积分别为31.8m2(直线型)和70.90m2(螺旋型).在这两种情况下，都使用的是直径为0.1m和长度为60m的管道。实验的结果表明，冬季直线布置的系统的增热量为405 kWh，螺旋系统为418 kWh。在夏季，直线和螺旋GAHE的冷却潜力分别为343 kWh和363 kWh。
Khabbaz等人调查了该组织与位于马拉喀什(摩洛哥)的住宅建筑与GAHE之间的相互作用。该换热器由三根直径为0.15cm、长度为72m的平行管道组成，管道均由PVC制成，埋在地下2.2到3.2m处。试验结果表明，室内空气温度为准恒定，在测试期间为25℃，湿度在40%左右。一根管道的制冷量为58W/m2，整个管道系统的制冷量为55W/m2。
Grosso和Chiesa在30个月内对GAHE的基本参数进行了研究。研究中的系统位于伊莫拉(意大利)，由三个场地组成，共32根管道(长度70米，直径0.25米)，平均埋在地下深2.6米。以图表的形式提供的大量详细的测量结果，其结果证明，GAHE系统在地中海气候带是有效的。
Serageldin等在埃及气候条件下研究了蛇纹石水平换热器的热性能。GAHE由5.5m长的PVC管组成，直径0.05 m，埋深2 m。测量结果用于验证不稳地、一维、准静态数学模型和三维稳态CFD模拟模型。研究结果表明，该管材的种类对加热和冷却能量增益的影响很小，而空气速度从1m/s增加到3m/s，使出口温度从20.4℃降至19.2℃。
Bisoniya等人测试了两根由聚氯乙烯制成，直径为0.1016 m的管道串联组成实验装置的冷却潜力。埋深2m的管道总长度为19.228 m。当空气流速为2至5m/s时，GAHE获得的每小时冷却能量增益分别为0.236和0.519 kWh。
Besler、Spryszynski和Piecha是波兰研究砾石地下土壤-空气换热器的先驱之一。通过大量的研究，可以确定每1m3/h空气流量下在砾石换热器中可以达到的传热速率。
Szymanski和Wojtkowiak进行的研究确定了加热周期的影响，从而能够评估管道GAHE系统的潜在节省。结果表明，要提高系统的能源效率，必须考虑几个因素，包括管道直径不小于0.2 m，风速不小于400 m3/h。
Zukowski等人研究了节能住宅中GAHE的冷却潜力。夏季空气温度评估表明，换热器出口温度平均为18.5℃，明显低于外部空气温度。还利用EnergyPlus软件开发了5个波兰城市的计算机仿真模拟。结果表明，住宅建筑的平均节能为595kWh。
专题文献中有许多关于地下土壤-空气换热器进行的实验和模拟的报告。一般来说，这些研究都是围绕着基于管道组成的系统进行的，通常只涉及一个管道。没有关于板式换热器的研究工作。大多数的研究都集中在温暖的气候上，空调并不是奢侈品，而是必需品。这些地区的冬季很难与波兰的气候相提并论。为西欧地区进行的分析也不能轻易地替代为波兰的条件下。
本文的最初目的是假设管道和板式两种类型的地下土壤-空气换热器在相同的天气和地面条件下运行，比较两种系统与能量增益的关系。本文的第一个研究对象是一种新型的管式换热器-两层布置的管道系统，两层管道相距0.5m，关于类似的研究报告尚未在文献中发表。第二个对象是获得波兰专利的板式换热器的创新结构，其特点是通风空气与地面直接接触。我们找不到与此相同的关于这类系统的研究论文。
- 管式和板式地下土壤-空气换热器的说明
这项研究涉及地下土壤-空气换热器，一个是基于板状结构的，另一个是基于管道结构的。每个换热器器占地的面积相同，为12mtimes;28m。这些装置建在比亚韦斯特理工大学(BUT)的土木工程和环境工程学院大楼旁边(图1)。这些设施是根据Podlaskie Voivodship区域范围内的方案建造的。该项目的主要目标是评估可再生能源在波兰东北部气候条件下的使用情况。
图1.现场布置-管式和板式GAHE的位置
第一个单元-地下土壤-空气换热器，如图2所示，是一种新的设计，以前没有在波兰安装过。该管式GAHE的空气供应有两个通风系统。通过该换热器的通风空气总流量为4050 m3/h，这是该换热器的制造商所推荐的值。通风设备位于土木工程和环境工程学院B楼的地下室。
图2.管式GAHE的简化模型
该面积为12mtimes;28m的换热器由和交叉管道组成。歧管由公称直径DN 700 mm、壁厚23.8mm、波纹表面厚度59 mm的管道组成。在换热方面，交叉管是一个至关重要的元素，分两层。由22根直径DN 200 mm，壁厚7mm，长28 m的管道组成，每根管子间距1 m(图3)。安装的平均深度为2米。管道由聚丙烯制成，导热系数为0.28W/MK，另外还加了杀菌银层。空气通过一个由直径为DN 630 mm，壁厚为23.8mm的51m长度的管道组成的收集管道输送到通风设备。气压损失的设计值很低，只有93 Pa。
图3.管式GAHE的歧管
图4展示出了另一种装置-板式地下土壤-空气换热器。这种新结构的优点之一是气流通过这个GAHE从交换器的底部直接接触地面。通过板式换热器的5820 m3/h的空气流通量也流向两个通风系统。两个通风系统均位于土木工程与环境工程学院B楼的屋顶。
图4.板式GAHE简化模型
该面积为12mtimes;28m的热交换器由两个歧管(DN 800mm)和一个由板组成的交叉隔间(图4)组成。空气通过直径为DN 630 mm的集气管并提供给通风装置。这种地下土壤-空气换热器的设计的气压损失明显较高，达到250 Pa。值得注意的是这个交换器的塑料板(图5)是用0.15m的聚苯乙烯泡沫板(EPS 100)覆盖的。这导致比地面低7-10米,在板的2米深处形成一个温度场。
图5.板式GAHE的横截面
或者，所有的通风设备都可以在屋顶上使用外部进气口，在这种情况下，GAHE被切断。这在春季和秋季的过渡时期尤其有用。
该热交换器的建设已于2014年底完工，并于2015年5月上旬开始使用。图6和图7显示了这两台交换机的安装过程
图6.管式GAHE装配(摄相：M.Zukowski)
图7.板式GAHE装配(摄相：M.Zukowski)
板式换热器与其它类型换热器的基本区别在于与地面的热交换方式。在管式热交换器中，空气与地面没有直接接触。在砾石式换热器中，空气通过与砾石层直接
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