一种新型地能

摘 要：文章对空调的危害进行了剖析，引出了地能（特别是浅层地能）和太阳能两种清洁可再生能源的使用，着重分析了一种可以替代空调的新型地能-太阳能地下温控系统方案，该系统能够在一定程度上替代空调，而且无能耗，温控效率高，不足的是成本较空调贵，但从长期使用角度出发，考虑时间价值的话，该系统还是经济可行的。

关键词：地能；太阳能；温控系统

中图分类号：TK512 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）9-0001-02

随着科学技术的发展和人民物质水平的提高，空调成为十分普及的日用品，但它在给人们带来舒适的同时也存在着许多的不足。首先是能耗大，城市建设的发展，建筑能耗占全国总能耗的30%左右，而空调耗能占整个建筑能耗的60%以上，且耗能比例还在不断增加。城市每年的用电高峰在夏季，其中空调耗电占总发电量的30%左右，2013年杭州夏季的日用电量首度突破900万kW大关，创历史新高达到912万kW，而其中空调用电就占到了将近30%，广州地区更高，能达50%～60%；其次长期使用空调还容易对人们的健康造成危害，使人们容易患炎症和感冒，而且空调房间内一般比较密封，不透风，很容易滋生有害细菌；再次空调中制冷剂所使用的氟利昂对大气臭氧层的破坏非常严重，根据全球总臭氧观测的结果表明，除赤道外，1978～1991年总臭氧每10年间就减少1%～5%，到目前为止95%的臭氧层遭到破坏。臭氧层耗竭，会使太阳光中的紫外线大量辐射到地面，对人类及其生存的环境造成不利后果：臭氧破坏将打乱生态系统中复杂的食物链，导致一些生物面临灭绝；也会使农作物大量减产，导致粮食危机；臭氧破坏还将引起全球气候变暖，海平面上升等危害。正因为上述问题，人们已不断开始寻求新能源的替代，例如风能、太阳能、地能，本文将以地能和太阳联动来研究温控系统。

1 地能-太阳能介绍

地能和太阳能都是新时代的清洁可再生能源。地能也称为地热能，国际上按照地热资源的温度不同，通常把热储温度>150 ℃者称为高温地热能，<150 ℃而>90 ℃者称为中温地热能，<90 ℃者称为低温地热资源。地热温泉的下限温度定为25 ℃，按照25 ℃的界限，通常把地热分成两种，25 ℃以上的称为传统地热能，<25 ℃的称为浅层地热能。传统地热能被使用得比较早，也较为广泛，主要在温泉上比较多；而浅层地热能作为一种低温能源，一般在地下15 m开始至数百米之间，温度恒定，是一处恒温带，我国恒温带温度水平在25 ℃以下，一般略高于当地的年平均气温，其中北方：15±5 ℃，而南方20±5 ℃，全国各地恒温带温差一般7～8 ℃。由于温度较低、基本处于恒温而且又可再生，随着科学技术的进步，浅层地热能的开采和利用也越来越受到重视，其主要用于调节室温，作为制冷的冷源和供暖的热源比较多。

近几年，太阳能的使用也越来越受到普及，太阳能发电是太阳能使用中占的比重比较大。太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换发电，另一种是光-电直接转换发电。前一种方式类似于火力发电，但是其效率较低而且成本很高，在大规模地利用上很不经济；光-电直接转换发电是现在社会上用得比较多的一种方式，常见的是使用硅的光电效应进行发电，效率相对较高，而且清洁无污染。

2 地能-太阳能新型温控系统方案

2.1 温控系统装置

将浅层地热能和太阳能相结合，以下是一种新型温控系统的方案的模型图，其机械设计部分如图1所示。

该系统机械部分设计由空气输入装置1，导热管2，保温气体输出管3和气体输出分配装置4组成，系统装配为细长型组合装置，长度4～8 m。具体运作时外界待调温空气通过风机鼓入空气输入装置1，其中风机由太阳能电池供电，带调温空气经过埋在地下的导热管2（具体实施时使用紫铜导热管）热交换后通过气体输出分配装置4输出到室内，其中紫铜导热管全部埋在恒温带中，导热管从恒温带输出到房屋这一段用聚氨酯保温管进行保温，阻止传输中与外界的热交换，减少热量损失；系统采用温控装置与调速电机结合，通过控制电机转速来改变气体流经导热管的时间（即热交换时间）来达到输出不同温度气体的目的。温控装置检测输出的气体温度，与需求的温度进行比较，利用经实际检测得到的温度和转速公式对风机转速自动进行调节，达到温度可控的目的。

系统利用了浅层地热能，通过将待调温空气导入恒定低温层调温后返还到室内，达到了调节室内温度的效果，彻底杜绝了氟利昂的使用，只需使用太阳能对风机进行供电，避免了空调的高能耗，由于地下恒温层温度基本保持不变，所以能够使室内达到冬暖夏凉的效果。

2.2 温控导热管的设计

导热管是整个系统的核心部件，外界待调温气体通过导热管直接与恒温层的土壤或流水进行热交换。导热管以导热效果极好的紫铜为材料，导热管呈螺旋状，以增大热交换面积，为了让更多的气体更好地进行热交换，导热管的口径制得较细，一个导热装置由多根导热管并行排列构成。

导热管长度L的计算，具体使用系统时导热管的长度是要经过计算的，具体计算方法如下：

假设：

①恒温带可以看成完全恒温，热交换过程导热管周围温度不变；

②管子足够细且传热效果极好，可看成空气直接与恒温带进行热交换；

③保温管绝对保温，空气经过导热管热量损失为0；

结合以上已知条件，并通过模拟实验分析得：输入待冷却气体（30 ℃），输出25 ℃的冷却气体，以12 m3/min流量速度冷却，结合房屋大小（假设为70 m3左右），即可在5～6 min使温度降下来，空调一般立即制冷要求在5 min以内，所以此系统的制冷效果还是较为不错的，由于吸热和放热的过程是可逆的，所以系统整体效率是较好的。

2.2 温控系统的经济性分析

系统采用太阳能电池作为能量来源，浅层地能作为空气调温的能源，这两种能源都属于可再生能源，在使用中无耗能，这也是该系统优于空调高耗能的地方。

系统需要紫铜管作为热交换管，利用太阳能电池板提供能源，加之输风管与送风保温管的购买，系统的费用一般在6 000左右（太阳能电池板费用在4 000左右），还有安装埋管的相关费用，成本比空调高，但无能耗，使用效率较高，按长期算还是十分经济的，而且可同时供应多间房间，使用空间比空调更加宽泛。

3 结 语

新型地能-太阳能地下温控系统方案较传统空调相比，由于完全杜绝了氟利昂的使用，对环境没有污染；经济成本更本，由于应用了太阳能和地能，使用过程中基本无能耗的浪费，对于家庭、企业来说节约了使用过程中的成本支出；温控系统制造工艺相对简便，安装难度较小，适合推广。

参考文献：

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