地下淺層溫能應用技術介紹(一)
Date / 2023.02.20 Writer / hwsmart小編
1. 前言
台灣氣候炎熱，空調系統的耗電量約佔總尖峰用電 40% 以上。目前全球碳排重返上升趨勢，若全球暖化失控，那麼地球增溫將超過攝氏 3 度，極端氣候造成的經濟損失，將達到全球 GDP 的 25％，若想避免此災難，必須在 2050 年之前達到淨零排放。
和偉智能致力於各種不同降低建築空調用電技術。於 2023 年 1 月 7 日，邀請江沅晉 副教授來到和偉智能，介紹地下淺層溫能技術，並討論如何規劃地下淺層溫能在節能工程應用，以為客戶提供更多的效益。
淺層地表溫能具有低成本且為潔淨自然溫能之優點，近年來在世界各地蓬勃的發展，又因環境與地緣之特性，有不同之考量與設計。地下淺層溫能主要是利用地表下面約 10~30 公尺的範圍內，地層之溫度維持在一恆定的範圍內，以台灣而言，地下淺層溫能溫度，夏天約為 18~20℃，較大氣溫度低，而冬天約為 15~18℃，較大氣溫度高。因此在夏天時，淺層溫能溫度較低，可利用淺層溫能將空氣或水進行冷卻後，在送入建築物使用，以減少空調系統之耗電量。在冬天時，淺層溫能溫度較高，可利用淺層溫能將空氣或水進行加熱後，在送入建築物使用，以減少熱泵系統之耗電量。因此淺層溫能一年四季皆可使用，具有低成本且為潔淨自然溫能之再生能源。
2. 淺層溫能功能
利用淺層溫能進行各種冷卻與加熱過程，結合傳統空調系統設計，水泵或風機為僅有的耗電設備，運轉電費比一般空調系統便宜許多，可達到微電空調的功能，同時兼顧空氣品質，減少建築物之耗能，創造舒適健康室內居住環境。
3. 淺層溫能種類
淺層地表溫能熱交換的介質為空氣或水；藉由空氣或水，經過與土壤熱交換後，取得土壤溫能，再經由熱交換器取得其能量。若依照淺層地表溫能之能量來源種類主要可區分成兩大類，分別為土壤溫能及水溫能。
a. 土壤溫能
土壤溫能的能量來源為土壤，主要利用熱交換介質(空氣或水)來取用淺層土壤的溫能。
土壤溫能：利用空氣或水取用淺層土壤的溫能，進行加熱或散熱應用。
b. 水溫能
水溫能的能量來源可為湖泊或池塘內的水、自來水、地下水或建築物下方筏基內的水，熱交換介質(空氣或水)與水溫能進行熱交換後，再進行散熱或空調。
水溫能：直接或間接使用水溫能(地下水、湖水或自來水)來進行加熱或散熱。
4. 土壤溫能介紹
土壤溫能主要利用地表下面約 10~30 公尺的範圍內，地層之溫度維持在一恆定的範圍內，夏天較大氣溫度低，而冬天較大氣溫度高。地下淺層溫能使用時主要由熱交換介質、熱交換器與建築物(或設備)所組成。
熱交換介質可為空氣或水，熱交換器通常為 U 型管式熱交換器，並埋設於地平面下約 3~50 公尺深處，主要運作原理為熱交換介質經由埋設於地平面下熱交換器與地下淺層溫能進行熱交換後，再進入建築物(或設備)供給使用。在冬天時可把地下淺層溫能當作熱源，由此熱源來吸取熱量，對建築物或進行加熱之動作，而在夏天時則可把建築物內過多之熱量排放於淺層地層中。
5. 系統設計
在土壤溫能應用之部分，以地埋管為主要空調區域，在設計系統時，需考量環境與地緣之特性進行熱交換管的匹配，針對土壤對空氣熱交換管尺寸、管道配置及性能評估方法進行考量。由於在地埋管周圍的土壤會受到地埋管內對流空氣的影響而使溫度改變，因此需分別以在空氣溫度為常數條件，以及長時間運轉下，計算有地埋管情形下的土壤溫度。
6. 土壤溫能應用案例
以工研院中分院(南投中新興村)為例，利用地表下土壤溫能進行外氣預泠（夏季）或預熱（冬季）。利用地表下土壤溫能進行外氣的預泠（夏季）或預熱（冬季），土壤溫度 24~27℃，夏季可降溫除溼，冬季可加熱加濕。降低外氣溫度達 5℃ 以上，熱傳有效性達 60% 以上。管路系統設計具有冷凝水可自動排水與管路清洗功能，可永續操作並提升室內空氣品質。
土壤溫能應用案例系統施工流程
7. 總結
總結上述，土壤溫能有以下優點：
• 適用於腹地廣大建築物操作
• 土壤溫度 20~24℃，夏季可降溫除溼，冬季可加熱加濕。
• 管路系統設計具有冷凝水可自動排水與管路清洗功能，可永續操作。
• 提升室內空氣品質、降低空調負荷及節能減碳。
• 結合生態池之設計，可提升環境美感。