走向适应气候变化的设计：中国不同气候条件下地-空气热交换器的性能变化、内在规律及差异化策略

《Renewable Energy》：Towards climate-adaptive design: Performance variations, underlying patterns, and differentiated strategies of earth-air heat exchangers across diverse climates in China

　　岳英俊|严增峰|雷福明|张铎|倪平安|严月泽
西安建筑科技大学建筑学院，中国西安710055

摘要
地-空气热交换器在建筑节能和脱碳方面非常有效，但其在不同气候区的适应性仍不够明确。为解决这一问题，本研究使用包含能量输出、效率和碳减排三个指标的框架，对中国十个气候多样的城市进行了标准化比较分析。通过德尔塔矩独立度量敏感性分析、局部加权回归和斯皮尔曼相关性分析，揭示了系统行为的模式。结果表明，气候条件对性能有显著影响。位于严寒区的哈尔滨年供暖输出超过4300千瓦时，是位于温和区的昆明的七倍多，同时其平均能源效率为51%，二氧化碳减排量为1300千克。敏感性分析显示，这三个指标的参数重要性排名在不同城市中有所不同。趋势分析揭示了复杂的非线性关系：虽然较大的管道直径通过增加换热面积提高了能量输出，但由于输送空气所需的能量增长速度超过了热量增加的速度，从而降低了效率。这三个指标之间存在权衡，其中能量输出与能源效率呈负相关，但与碳减排呈显著正相关。不同地区最佳参数的变化表明，需要针对特定气候条件制定有针对性的设计和优化策略。本研究为优化地-空气热交换器的区域适应性提供了理论基础，以支持在多种气候环境下的可持续发展目标。

引言
全球能源危机和环境污染是当今的主要挑战。建筑行业约占全球能源消耗的三分之一，以及超过四分之一的与能源相关的碳排放。提高建筑能源效率和减少对化石燃料的依赖是实现可持续发展目标（SDGs）[1]和《巴黎协定》下碳中和的关键策略。随着能源转型的推进，将可再生能源技术整合到建筑中变得越来越重要，太阳能、地热能和风能得到了广泛应用。特别是浅层地热能因其可用性和热稳定性而受到关注。在地层热能技术中，地-空气热交换器（EAHE）作为一种高效、低能耗的空气预处理解决方案脱颖而出，它利用土壤的热惯性来降低供暖和冷却系统的能源需求[2]。随着对节能建筑技术需求的增加，EAHE在各种气候条件下的研究和应用也在不断增加。

尽管取得了进展，大多数研究仍集中在特定的气候条件上，例如寒冷地区的供暖或炎热地区的制冷。需要进一步研究来评估其在不同气候区的适用性，以支持更广泛的应用并加速SDG目标的实现。

EAHE系统由空气入口、埋设的管道和空气分配终端组成。管道布置（水平、垂直或螺旋形）取决于现场条件[3]。室外空气通过自然通风或机械风扇进入系统。当与暖通空调（HVAC）系统结合使用时，EAHE可以降低能源消耗、减少峰值负荷并改善室内空气质量。如图1所示，在冬季，该系统利用地热降低供暖需求；而在夏季，则利用较冷的地下温度对空气进行预冷却，从而减少制冷负荷。

EAHE的研究主要采用两种方法：实验研究和数值模拟[4]。实验研究在工程装置[5]或测试场地[6]上进行，收集关键性能数据，如空气温度变化、换热性能下降和土壤热恢复情况。这些研究还探讨了土壤湿度、冷凝和微生物生长等实际问题。数值模拟使用分析模型或数值模型来解决土壤和空气之间的耦合热传递问题。这些模型从一维公式[7]发展到更先进的二维和三维瞬态模型[8]，以及具有热-水力耦合的多物理模型[9]。高保真度的热传递模拟使用有限差分法、有限元方法和CFD，建筑能源模拟程序如TRNSYS和EnergyPlus整合了EAHE模块进行系统级分析。

EAHE的性能受外部因素（如气候、土壤特性）和内部设计参数（如管道配置、进气速度）[10]的影响。优化EAHE设计需要考虑这些因素，以实现高的热性能和能源效率。EAHE技术已应用于多种气候条件，包括炎热干燥区、炎热潮湿区、温带区和寒冷区。在炎热干燥区，EAHE系统可以减少制冷负荷并提高舒适度。例如，Allali等人[11]发现摩洛哥的EAHE使温室温度降低了9°C，作物产量增加了40%，并将能源使用量减少了三分之一。Agrawal等人[12]表明，在印度阿杰梅尔增加土壤湿度后，EAHE性能提高了24%，所需管道长度减少了37%。Benhammou等人[13]证明，在阿尔及利亚将EAHE与隔热材料结合使用后，夏季室内温度降低了11°C，COP值提高了4.8。Wakil等人[14]发现摩洛哥的EAHE-通风协调使供暖能耗减少了14%，制冷能耗减少了16%。Bady和Ouzzane[15]在沙特阿拉伯使用温差策略将系统效率提高了60%。

炎热潮湿区由于高温、高湿度和较小的昼夜温差，主要利用EAHE系统进行空气预冷却、降低湿度并减轻除湿负荷。在马来西亚，Yusof等人[16]发现低空气流量（0.02千克/秒）时系统性能最佳，25米长的管道出口温差≤0.36°C。在墨西哥，Díaz-Hernández等人[17]证明EAHE可将白天温度降低多达5.5°C，显示出被动冷却的潜力。Molina-Rodea等人[18]测试了一种U形垂直EAHE，实现了5.1°C–9.4°C的温度降低，COP值最高为12.8%，系统效率为88.4%。

温带区具有适中的温度和明显的季节变化，利用EAHE在冬季进行预热，在夏季进行预冷却。在中国重庆，Qi等人[19]验证了一种混合EAHE系统，提高了长期性能并降低了土壤热饱和度。在西班牙塞维利亚，Montero Gutiérrez等人[20]开发了一种地-空气和水-空气混合系统，实现了8°C的日间冷却效果。在上海，Cirillo等人[21]发现EAHE使住宅建筑的供暖能耗减少了71%。在加拿大蒙特利尔，Patin和Rousse[22]观察到供暖和制冷负荷分别减少了4.3%，但能源成本超过了当地电价，影响了其可行性。

寒冷区冬季漫长，夏季短暂，主要利用EAHE系统进行空气预热。在中国山东，Qi等人[23]优化了温室中的EAHE系统，实现了6.6 K的冷却效果。在北京，Li等人[24]发现太阳能-烟囱-EAHE系统减少了26%的辅助供暖需求。在土耳其比特利斯，Ta?delen和Da?tekin[25]展示了垂直EAHE的18.44 K冷却效果。在中国杨凌，Xiao等人[26]在冬季实现了9.26°C的温度差，在夏季实现了10.55°C的温度差，COP值超过22%。在兰州，Zhang等人[27]将热传递效率提高了37.91%，满足了大部分夏季制冷需求。

尽管进行了大量研究，但仍有一些关键限制阻碍了EAHE系统的最佳部署。首先，现有文献主要针对特定地点，缺乏气候类型与系统适应性之间的通用映射，导致性能极限定义不明确。其次，研究通常将设计参数视为静态的，未能考虑气候如何改变参数的主导性。第三，单一维度评估忽略了能量采集、效率和碳减排之间的权衡，从而未能充分理解这些跨气候的相互依赖性。

本研究通过回答以下问题来填补这些空白：
●气候背景如何定义EAHE能量输出、效率和碳减排的物理界限？
●设计参数的敏感性排名在不同气候中如何变化，其背后的机制是什么？
●在相互冲突的性能指标之间存在哪些普遍的权衡模式，这些模式如何指导差异化的设计策略？

为了弥合这些空白，本研究开发了一个统一的框架，整合了数值模拟、全局敏感性分析和多目标耦合评估。主要创新点和贡献包括：
●与孤立案例研究不同，本研究使用三个指标（能量-效率-碳）评估了中国十个气候多样城市的EAHE性能，提供了不同气候条件下EAHE适应性的全面映射。
●通过结合全局敏感性分析和趋势分析，本研究揭示了区域气候背景如何重新定义参数重要性的层次结构，为气候适应性设计提供了理论基础。
●本研究使用相关性分析量化了能量输出、效率和碳减排之间的权衡和协同作用，揭示了在优先考虑能量最大化时系统能源效率的递减回报，并为多种中国气候下的多目标优化提供了见解。

研究区域
为了评估EAHE系统在各种气候条件下的性能，本研究选择了中国十个代表四种柯本气候类型（热带（A）、干旱（B）、温带（C）和大陆性（D）的城市（表1）。虽然极地气候（E）未被包括在内，但这些地区的EAHE应用较为罕见。所选城市充分代表了全球EAHE应用的典型气候。图2a显示了这些城市的地理位置。图2b展示了这些城市的供暖和空气-土壤温度差随时间的变化情况。

EAHE系统的热交换性能取决于土壤的热稳定性及其与波动空气温度的相互作用。土壤温度在不同深度呈正弦波变化，具有相位滞后和振幅衰减，提供了稳定的地下热源。不同城市的土壤温度变化见图B（附录B），该数据使用方程（A.15）中的分析模型和表A.1中的气候参数计算得出。图4展示了不同气候区EAHE性能差异背后的物理机制。

EAHE系统性能在不同气候中的变化主要受两个因素影响：（1）气候驱动的供暖/制冷需求（需求侧）和（2）空气与土壤之间的温差（供应侧）。这两个因素共同决定了系统的性能。

结论
本研究使用综合性能评估框架和全局敏感性分析，评估了地-空气热交换器系统在中国不同气候区的潜力。结果表明，系统的能源潜力主要取决于空气-土壤温度差的幅度和持续时间。在严寒和寒冷地区，持续的空气-土壤温度梯度使得供暖性能更优；例如，哈尔滨的供暖效果最佳。

作者贡献声明
岳英俊：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、可视化、方法论、概念化。
严增峰：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。
严月泽：撰写——审阅与编辑。
倪平安：撰写——审阅与编辑。
张铎：撰写——审阅与编辑。
雷福明：撰写——审阅与编辑、验证、软件开发。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金[项目编号52278127]和中国住房和城乡建设部[项目编号12020230292]的支持。