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摘要：通过对直接利用村镇丰富的、温度变化不大的地下水的蒸发、冷却降低室内温湿度的地下水空调系统的实验研究得出采用地下水空调系统的冷负荷基本满足室内要求，温度可维持在29℃以内，中高速出风条件下，整个系统的能效比不小于2，满足节能的要求。
关键词：地下水空调；冷负荷；能效比
中图分类号：TB657文献标识码： A
0前言
由于我国农村地区巨大的人口数量以及对生活水平要求的不断提高，在建筑方面的能耗也在逐步增加。据清华大学节能研究中心2006-2007的调研报告：农村建筑生活能耗已经达到了1.9亿吨标煤，占中国建筑总能耗的37%[1]，这主要是由于农民节能意识薄弱，住宅围护结构设计不合理，供热设备效率低下等因素造成的[2]。而要改变目前我国农村建筑能耗过大的现状，除了要改变农民的传统节能意识、对农村既有住宅建筑进行节能方面的改造。还可以考虑利用村镇地区丰富的低品位能源资源，研究适宜的低品位能源利用技术，这对于改善农村居住环境，缓解能源紧张、保护我国生态环境具有十分重要的意义。另外村镇地区的特点也使得这些技術十分适合在村镇地区推广使用。和城市相比，村镇有如下特点[3]：①土地、地下水、地表水资源相对丰富；②住宅建筑周围和内部可利用空间较大；③居民对室内环境调节要求（温度及其稳定性）不如城市高。这些原因使得地源热泵、地下水空调的利用技术在我国村镇地区有着广阔的应用前景。
国内外一些学者很早就开始对于地下水空调开始了研究，如沈阳建筑大学的高福彬[4]经过理论分析和现场试验得出，在得到相同制冷量的效果的条件下，采用地下水空调系统比采用其他系统在主要设备投资和运行费用可节省32%和59%。南京工业大学彭扬华[5]利用地下水和一般散热器降温也达到比较理想的效果。G.G.Midment[6]模拟伦敦地铁系统的地下水空调系统得出地下水空调系统不但能有效满足地铁系统冷热需求，而且具有较好的节能效果等等。这些对于地下水空调应用提供丰富的技术资料。但是对于针对村镇地下水的特点，研究适合农村用的地下水空调系统还缺乏一些直接的、实际的数据资料。因此本课题通过地下水空调实验来研究地下水空调在村镇的应用。
1实验研究
该项目位于郑州市荥阳某村镇，是一座普通民居，共两层，层高3500mm，外墙为240mm粘土实心砖；外窗为铝合金单层玻璃窗及部分木窗；屋面为120mm预制板+150mm现浇筋混凝土板；建筑外墙为水刷石灰色饰面。建筑耗热量指标约为29.05W/m2。首先为了降低建筑耗热指标，我们对这座民宅进行了节能改造，外墙增加40mm厚的膨胀珍珠岩做外保温，屋面增加70mm厚XPS做倒置保温层，将原来的木窗、铝合金单层窗更换为塑钢双层玻璃窗。改造后的该建筑耗热量指标降为14.51 W/m2，基本满足节能50%的要求。
接下来，选取该住宅101、102为研究测试房间，采用地下水空调系统，地下水直接冷却采用风机盘管末端，地下水直接蒸发冷却采用蒸发冷却空调扇末端。如图1所示。通过理论计算出101房间冷负荷为2658.75W，102房间为2659.18W。最终选取美国富兰格林电气有限公司生产的型号为100QJD6-70/17-3；最大扬程为100m；最大流量为11m3/h的潜水泵。南京天加空调公司生产的型号为TCR400ECSSNNNTN；冷量为4050W；输入功率为55W的风机盘管。以及输入功率为55W的艾美特空调扇和霍尼韦尔温度控制器和电动两通阀等实验设备。
图1地下水空调系统平面布置图
2实验结果分析
在七月份，根据拟定的实验方案测试了在地下水空调运行期间，101、102房间的温湿度、风机盘管进出口水流温度、流量以及地下水进出口的温度、流量等。由于数据较多，且系统每天运行情况基本相同，选取试验期间的7月7日至7月14日进行了分析。
2.1地下水水温的变化
试验期间地下水平均温度在20.2℃-20.6℃之间变化，变化幅度很小，如图2所示。与郑州市地下水年平均温度18℃相比，相差达到2.4℃。这是由于实验用井虽然井深50多米，但测点布置在室外出井口直管段，无遮阳防晒措施，加之测试日室外气温较高（如图3），温度传感器与出井口的地下水不能完全接触，因此所测地下水温度有所偏高。
图2.7日至14日地下水平均温度变化图
2.2地下水空调系统运行效果实验分析
2.2.1室外空气温度的变化
图3.7日室外空气温湿度变化图
在进行测试的一周内，室外空气温度普遍比较高，为更好测试示范工程制冷系统的运行效果，我们选取其中室外温度相对较高，且变化不大的7月7日的测试数据，进行了分析。如图3所示。从图3可以看到，当地气候十分炎热，当天的室外空气平均温度达到了38℃多，相对湿度最高达到了46.8%。这对于考核地下水空调系统的运行效果也是一次比较严峻的考验。
工程上，在风机盘管的干工况设计中，考虑到盘管传热热阻的影响，一般取末端风机盘管的供水温度低于室内设计状态空气露点温度。而在当地条件下，无论是开启还是关闭空调扇，地下水温度只在制冷系统开启的一段时间内，低于室内空气的露点温度，而且关闭空调扇比开启能更久使地下水温度低于室内空气的露点温度，如图4所示。这说明系统在开启后的一小段时间内，风机盘管处于湿工况状态，而大部分时间是处于干工况状态，风机盘管仅在系统刚开启较短时间内有除湿能力。
图4.7日室内空气露点温度变化图
2.2.2打开或关闭空调扇条件下，室内空气温度变化
图5.7日室内温度度变化图
为了测试空调扇的开启与关闭对房间温度的影响，我们对两个测试房间（101,102）中的101房间只打开了风机盘管，未开启空调扇，对102房间同时开启了风机盘管和空调扇。两个房间的温度控制都设定在26℃。测试结果如图5所示。从图5中我们可以看出，系统运行时，室内空气温度基本能保持在29.4℃以内，开启或关闭空调扇对房间温度的影响不大，相差在0.3℃以内，而关闭空调扇比开启可以使风机盘管有更多时间在湿工况下运行如图4所示，对系统的节能更有意义。
2.2.3选取房间冷负荷分析
图6.102房间理论冷负荷图
图7.102房间空调系统实际负荷变化图
为了更好的分析地下水空调系统能否满足设计要求，我们首先用鸿业负荷计算软件，逐时逐项计算房间的冷负荷，以102房间为例，计算结果如图6所示。从图中得出最大冷负荷出现在14:00，为2659.18W。而实际负荷在高出风速下完全可以满足房间供冷要求，中速下只有部分时段能满足房间要求，低速下几乎不能满足要求。如图7所示。分析其原因是由于进出风机盘管的地下水与房间空气的温度差较风机盘管的额定工况下的温差小得多，换热效果较差。虽然增大了风机盘管的进出水流量，但出风速度相对较小，导致换热不充分，换热效果不理想。下一步可考虑增大盘管的换热面积或增大出风速度来增强换热效果，提高系统的供冷能力。根据我国国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》对夏季室内计算相对湿度的要求，在当地条件下，地下水空调系统基本能满足房间供冷要求。
2.3地下水空调系统节能效果实验分析
在采用地下水为冷源的地下水空调系统运行期间，地下水温度较高，降低了风机盘管的换热能力，因此系统实际供回水温差小于标准的5℃，系统的供冷能力也远远小于风机盘管的额定制冷量。
2.3.1在一定设定温度（26℃），不同出风速度条件下，地下水空调系统的能耗分析
图8.地下水空调系统的能效比变化图
由于地下水空调系统的运行负荷随着风机盘管风量的不同而有所不同如图7，因此为了更好的分析系统的效率，需要计算出整个系统运行的能效比，从量化的角度去分析系统的节能效果。
地下水的密度随水温的变化对系统能效比的影响很小，忽略地下水的密度变化，采用标况下的水密度，水在27℃的定压比热Cp可采用内插法计算得出。则系统制冷量的计算公式：
Q=CpG△t （1）
冷却系统能效比的计算式：
能效比EER=Q/W（2）
以上两式中，G为供回水流量，m3/h；Q为系统的制冷量，W；△t供回水温差；W为所耗功率包括水泵功率、风盘功率、以及空调扇功率等。
根据式（1）、（2），计算得出地下水空调系统实际运行的能效比如图8所示。从图中我们可以得出随着室外气温的升高，系统的能效比是逐渐降低的，且风机盘管在高风速的情况下的能效比要高于中、低风速下的能效比。高风速下系统的能效比最高达到2.37可达到一般小型家用空调机的水平。低风速下系统的能效比最高只有1.86，要低于家用空调机的水平。这主要是由于高速下风机盘管的换热比中低速下的换热效果强的缘故。
3结语
1)在当地恶劣的气候条件下，该建筑通过节能改造后，地下水空调系统能有效地降低房间的空气温度，基本可以将房间的温度控制在28℃-29.2℃。
2)在室外温度较高时，风机盘管在低速风量下，供冷能力基本不能满足要求，应使用中、高速风量。
3)在当地的地下水温基本维持在20.4℃的条件下，风机盘管大部分处于干工况状态下，但地下水空调系统有一定的除湿能力，使房间的湿度保持在可以接受的范围内，尤其在关闭空调扇的情况下，除湿能力更好。
4)在风机盘管中高速条件下，系统的能效比基本都在2.0以上，达到一般家用空调机组的标准，满足节能的要求。
5)提高风机盘管的风速，可以提高系统的能效比。
参考文献：
[1] 杨国峰，徐兴華.农村建筑节能广阔[J].砖瓦世界，2009，（2）:11-12
[2] 刘李峰，牛大刚，李军.北方农村建筑节能：传统与现状[J].中国科技成果，2008，（23）:11-14
[3] 陈加宝.地下水空调在村镇住宅建筑中的应用研究[D].湖南大学，2-3
[4] 高福彬.地下水空调技术的应用分析.节能，2005，(4)：20-22
基金项目：国家“十一五”计划课题-村镇建筑节能及改善室内热环境关键技术研究（2006BAJ04B05）
关键词：地下水空调；冷负荷；能效比
中图分类号：TB657文献标识码： A
0前言
由于我国农村地区巨大的人口数量以及对生活水平要求的不断提高，在建筑方面的能耗也在逐步增加。据清华大学节能研究中心2006-2007的调研报告：农村建筑生活能耗已经达到了1.9亿吨标煤，占中国建筑总能耗的37%[1]，这主要是由于农民节能意识薄弱，住宅围护结构设计不合理，供热设备效率低下等因素造成的[2]。而要改变目前我国农村建筑能耗过大的现状，除了要改变农民的传统节能意识、对农村既有住宅建筑进行节能方面的改造。还可以考虑利用村镇地区丰富的低品位能源资源，研究适宜的低品位能源利用技术，这对于改善农村居住环境，缓解能源紧张、保护我国生态环境具有十分重要的意义。另外村镇地区的特点也使得这些技術十分适合在村镇地区推广使用。和城市相比，村镇有如下特点[3]：①土地、地下水、地表水资源相对丰富；②住宅建筑周围和内部可利用空间较大；③居民对室内环境调节要求（温度及其稳定性）不如城市高。这些原因使得地源热泵、地下水空调的利用技术在我国村镇地区有着广阔的应用前景。
国内外一些学者很早就开始对于地下水空调开始了研究，如沈阳建筑大学的高福彬[4]经过理论分析和现场试验得出，在得到相同制冷量的效果的条件下，采用地下水空调系统比采用其他系统在主要设备投资和运行费用可节省32%和59%。南京工业大学彭扬华[5]利用地下水和一般散热器降温也达到比较理想的效果。G.G.Midment[6]模拟伦敦地铁系统的地下水空调系统得出地下水空调系统不但能有效满足地铁系统冷热需求，而且具有较好的节能效果等等。这些对于地下水空调应用提供丰富的技术资料。但是对于针对村镇地下水的特点，研究适合农村用的地下水空调系统还缺乏一些直接的、实际的数据资料。因此本课题通过地下水空调实验来研究地下水空调在村镇的应用。
1实验研究
该项目位于郑州市荥阳某村镇，是一座普通民居，共两层，层高3500mm，外墙为240mm粘土实心砖；外窗为铝合金单层玻璃窗及部分木窗；屋面为120mm预制板+150mm现浇筋混凝土板；建筑外墙为水刷石灰色饰面。建筑耗热量指标约为29.05W/m2。首先为了降低建筑耗热指标，我们对这座民宅进行了节能改造，外墙增加40mm厚的膨胀珍珠岩做外保温，屋面增加70mm厚XPS做倒置保温层，将原来的木窗、铝合金单层窗更换为塑钢双层玻璃窗。改造后的该建筑耗热量指标降为14.51 W/m2，基本满足节能50%的要求。
接下来，选取该住宅101、102为研究测试房间，采用地下水空调系统，地下水直接冷却采用风机盘管末端，地下水直接蒸发冷却采用蒸发冷却空调扇末端。如图1所示。通过理论计算出101房间冷负荷为2658.75W，102房间为2659.18W。最终选取美国富兰格林电气有限公司生产的型号为100QJD6-70/17-3；最大扬程为100m；最大流量为11m3/h的潜水泵。南京天加空调公司生产的型号为TCR400ECSSNNNTN；冷量为4050W；输入功率为55W的风机盘管。以及输入功率为55W的艾美特空调扇和霍尼韦尔温度控制器和电动两通阀等实验设备。
图1地下水空调系统平面布置图
2实验结果分析
在七月份，根据拟定的实验方案测试了在地下水空调运行期间，101、102房间的温湿度、风机盘管进出口水流温度、流量以及地下水进出口的温度、流量等。由于数据较多，且系统每天运行情况基本相同，选取试验期间的7月7日至7月14日进行了分析。
2.1地下水水温的变化
试验期间地下水平均温度在20.2℃-20.6℃之间变化，变化幅度很小，如图2所示。与郑州市地下水年平均温度18℃相比，相差达到2.4℃。这是由于实验用井虽然井深50多米，但测点布置在室外出井口直管段，无遮阳防晒措施，加之测试日室外气温较高（如图3），温度传感器与出井口的地下水不能完全接触，因此所测地下水温度有所偏高。
图2.7日至14日地下水平均温度变化图
2.2地下水空调系统运行效果实验分析
2.2.1室外空气温度的变化
图3.7日室外空气温湿度变化图
在进行测试的一周内，室外空气温度普遍比较高，为更好测试示范工程制冷系统的运行效果，我们选取其中室外温度相对较高，且变化不大的7月7日的测试数据，进行了分析。如图3所示。从图3可以看到，当地气候十分炎热，当天的室外空气平均温度达到了38℃多，相对湿度最高达到了46.8%。这对于考核地下水空调系统的运行效果也是一次比较严峻的考验。
工程上，在风机盘管的干工况设计中，考虑到盘管传热热阻的影响，一般取末端风机盘管的供水温度低于室内设计状态空气露点温度。而在当地条件下，无论是开启还是关闭空调扇，地下水温度只在制冷系统开启的一段时间内，低于室内空气的露点温度，而且关闭空调扇比开启能更久使地下水温度低于室内空气的露点温度，如图4所示。这说明系统在开启后的一小段时间内，风机盘管处于湿工况状态，而大部分时间是处于干工况状态，风机盘管仅在系统刚开启较短时间内有除湿能力。
图4.7日室内空气露点温度变化图
2.2.2打开或关闭空调扇条件下，室内空气温度变化
图5.7日室内温度度变化图
为了测试空调扇的开启与关闭对房间温度的影响，我们对两个测试房间（101,102）中的101房间只打开了风机盘管，未开启空调扇，对102房间同时开启了风机盘管和空调扇。两个房间的温度控制都设定在26℃。测试结果如图5所示。从图5中我们可以看出，系统运行时，室内空气温度基本能保持在29.4℃以内，开启或关闭空调扇对房间温度的影响不大，相差在0.3℃以内，而关闭空调扇比开启可以使风机盘管有更多时间在湿工况下运行如图4所示，对系统的节能更有意义。
2.2.3选取房间冷负荷分析
图6.102房间理论冷负荷图
图7.102房间空调系统实际负荷变化图
为了更好的分析地下水空调系统能否满足设计要求，我们首先用鸿业负荷计算软件，逐时逐项计算房间的冷负荷，以102房间为例，计算结果如图6所示。从图中得出最大冷负荷出现在14:00，为2659.18W。而实际负荷在高出风速下完全可以满足房间供冷要求，中速下只有部分时段能满足房间要求，低速下几乎不能满足要求。如图7所示。分析其原因是由于进出风机盘管的地下水与房间空气的温度差较风机盘管的额定工况下的温差小得多，换热效果较差。虽然增大了风机盘管的进出水流量，但出风速度相对较小，导致换热不充分，换热效果不理想。下一步可考虑增大盘管的换热面积或增大出风速度来增强换热效果，提高系统的供冷能力。根据我国国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》对夏季室内计算相对湿度的要求，在当地条件下，地下水空调系统基本能满足房间供冷要求。
2.3地下水空调系统节能效果实验分析
在采用地下水为冷源的地下水空调系统运行期间，地下水温度较高，降低了风机盘管的换热能力，因此系统实际供回水温差小于标准的5℃，系统的供冷能力也远远小于风机盘管的额定制冷量。
2.3.1在一定设定温度（26℃），不同出风速度条件下，地下水空调系统的能耗分析
图8.地下水空调系统的能效比变化图
由于地下水空调系统的运行负荷随着风机盘管风量的不同而有所不同如图7，因此为了更好的分析系统的效率，需要计算出整个系统运行的能效比，从量化的角度去分析系统的节能效果。
地下水的密度随水温的变化对系统能效比的影响很小，忽略地下水的密度变化，采用标况下的水密度，水在27℃的定压比热Cp可采用内插法计算得出。则系统制冷量的计算公式：
Q=CpG△t （1）
冷却系统能效比的计算式：
能效比EER=Q/W（2）
以上两式中，G为供回水流量，m3/h；Q为系统的制冷量，W；△t供回水温差；W为所耗功率包括水泵功率、风盘功率、以及空调扇功率等。
根据式（1）、（2），计算得出地下水空调系统实际运行的能效比如图8所示。从图中我们可以得出随着室外气温的升高，系统的能效比是逐渐降低的，且风机盘管在高风速的情况下的能效比要高于中、低风速下的能效比。高风速下系统的能效比最高达到2.37可达到一般小型家用空调机的水平。低风速下系统的能效比最高只有1.86，要低于家用空调机的水平。这主要是由于高速下风机盘管的换热比中低速下的换热效果强的缘故。
3结语
1)在当地恶劣的气候条件下，该建筑通过节能改造后，地下水空调系统能有效地降低房间的空气温度，基本可以将房间的温度控制在28℃-29.2℃。
2)在室外温度较高时，风机盘管在低速风量下，供冷能力基本不能满足要求，应使用中、高速风量。
3)在当地的地下水温基本维持在20.4℃的条件下，风机盘管大部分处于干工况状态下，但地下水空调系统有一定的除湿能力，使房间的湿度保持在可以接受的范围内，尤其在关闭空调扇的情况下，除湿能力更好。
4)在风机盘管中高速条件下，系统的能效比基本都在2.0以上，达到一般家用空调机组的标准，满足节能的要求。
5)提高风机盘管的风速，可以提高系统的能效比。
参考文献：
[1] 杨国峰，徐兴華.农村建筑节能广阔[J].砖瓦世界，2009，（2）:11-12
[2] 刘李峰，牛大刚，李军.北方农村建筑节能：传统与现状[J].中国科技成果，2008，（23）:11-14
[3] 陈加宝.地下水空调在村镇住宅建筑中的应用研究[D].湖南大学，2-3
[4] 高福彬.地下水空调技术的应用分析.节能，2005，(4)：20-22
基金项目：国家“十一五”计划课题-村镇建筑节能及改善室内热环境关键技术研究（2006BAJ04B05）