一种农宅建筑节能通风换气系统设计探究

赵金秀 安贝旸 马云飞 刘学友 王烁楠 刘 禄

（唐山学院，河北 唐山063000）

我国大部分农村建筑，没有集中供暖和供冷系统，农户夏季多采用分体空调进行室内供冷，冬季多采用燃气或电锅炉等取暖，多数农户在使用供冷和取暖设备时，往往紧密门窗，减少室外空气的进入，以降低冷热消耗，但这种方式因为空气不流通造成室内空气质量下降，尤其长时间使用时，空气质量更差，引起不舒适。如果直接开窗通风换气，又会带来冷热负荷的增加，同时由于室外空气的温度偏离室内空气值较多，也会给人带来温度波动的不舒适。浅层地热能应用是太阳能的一种间接利用方式[1]，作为可再生的清洁能源收到人们越来越多的关注。为解决通风换气又不增加能耗，项目组提出了一种农宅建筑节能通风换气系统。

1 系统的组成和工作原理

1.1 系统组成

一种农宅建筑通风换气系统组成见图1 所示。系统由地热通风部分和屋顶太阳能光伏板部分组成。其中地热通风部分主要包括进风口、引风机、通风管、地埋管换热器、空气过滤器、送风机、送风口等；屋顶太阳能光伏板部分主要包括太阳能光伏板，逆变控制一体机、蓄电池组和连接导线等。

图1 通风换气系统的组成

1.2 系统工作原理

夏季，室外高温空气由进风口进入，通过地埋管换热器被土壤冷却，温度降低后被送风机通过送风口送入农宅房间；冬季，室外寒冷的空气由进风口进入，通过地埋管换热器被土壤加热，温度升高后送入农宅房间。即使是在室外空气污染高（如雾霾天气）的天气状况下，因为管道内设有空气过滤器也能保证通入室内的空气是新鲜的。

系统送引风机的电能由设置在屋顶的太阳能光伏板发电系统提供，太阳能光伏板的产生的电能通过太阳能控制器进入蓄电池组，给送引风机提供电能，蓄电池组多余的电能还可用于农宅房间的照明等生活用电的供应。

2 地埋管换热器设计和敷设

地埋管换热器直接影响农宅通风换气系统的换热效果，所以地埋管换热器的设计选择尤为重要。

2.1 地埋管换热器管材

地埋换热管道应具备、耐腐蚀、换热好、使用寿命长等特点。金属管材相比一些研究中采用钢筋混凝土管或塑料管的换热效果要好，同时为增加换热面积，和换热效率，且波纹管具有良好的弹性和韧性，便于施工；圆管相对矩形风管更能承压且不易变形。综合考虑选用不锈钢波纹圆管。

2.2 地埋管换热器敷设方式

由于空气低的热导率，需要较长的管线敷设长度。由于庭院长度有限，设计地埋管换热器为水平多排管并联形式，多根排管用两端的集箱连通，与通风管连接，见图2。同时将一根粗管变成多根细管与土壤换热，可提高换热系数。

2.3 通风管和地埋管换热器管径规格计算

图2 水平多排管并联地埋管换热器

以唐山某典型农宅建筑为例，其主要房间面积约35m2，根据《住宅建筑规范》（GB 50386-2005）中住宅应能自然通风，每套住宅的通风开口面积不应小于地面面积的5%[2]，针对农村住房面积大、气密性差等特点，建议将通风换气次数由规范推荐降为一半[3]，因此取通风开口面积不应小于地面面积的2.5%，估算通风量约0.375m3/s。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中住宅低速风管风速要求≤6m/s[4]，取3m/s，得通风管横截面积约0.125m2，直径取200mm，介于庭院的进深考虑，通风管长度取8～10m。

考虑地埋管换热器与土壤的换热，风速较小风管的尺寸增大，投资和占地增加，风速较大降低接触系数增加流动阻力，能耗增大，所以合适的风速宜为2m/s；同样埋管管径也要平衡阻力和换热影响。

根据管内气流流速、土壤层平均温度以及通风进口空气温度等，根据流体在管内换热理论计算，可求得经过地埋管换热系统后的送风温度，得到空气温降随地埋管换热器长度的变化，如图3 所示。

图3 空气温降（升）随地埋管长度变化

基于庭院场地施工和投资，综合考虑取管径为100mm 不锈钢波纹管10 根，每个4m，管间距200mm。

3 地埋管换热系统的埋设深度

根据管内气流流速、通风管与地埋换热管长度、不同深度土壤层平均温度以及通风进口空气温度等，根据流体在管内换热理论计算，可求出经过地埋管换热系统后的送风温度，得到空气温降（升）随敷设深度变化，如图4 所示。

图4 空气温降（升）随地埋管敷设深度变化

因为室内有冷热源的情况下通风温度标准可降低，综合考虑地层温度随深度变化、经济性及便于施工，取通风管和地埋换热器敷设深度为4m。

通过上述分析和理论计算，该系统在夏季室外空气温度为28～35℃情况下，能够使送风温度降至24～29℃；冬季在室外空气温度为-8～10℃情况下，可使送风空气温度升高至0～15℃。相比直接通入室外空气可明显减少空调或采暖能耗。

结束语

一种农宅建筑节能通风换气系统，不仅可以解决通风换气问题，还可以节省夏季空调和冬季采暖能耗，同时提高房间的舒适性，更可以在室外空气污浊的天气下进行净化过滤将新鲜空气送入房间。并且系统便于施工和安装，利用太阳能作为动力，不消耗矿物能源，不产生污染，系统运行安全可靠，具有很好的节能环保效益，符合未来新农村发展的理念。