地道風(fēng)降溫技術(shù)的數(shù)值模擬和應(yīng)用

地道風(fēng)降溫技術(shù)的數(shù)值模擬和應(yīng)用研究摘要：地道風(fēng)降溫指利用地道冷卻空氣，而后送至地面上的建筑物，達(dá)到降溫目的的一種專門技術(shù)。本文通過建立模擬地道降溫過程的空氣－土壤準(zhǔn)三維傳熱模型，分析地道長度、埋深等參數(shù)對地道傳熱效果的影響。研究結(jié)果可以指導(dǎo)工程的設(shè)計、運行和管理。關(guān)鍵字：地道風(fēng)數(shù)值模擬土壤傳熱1引言地道風(fēng)降溫是近幾十年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，指利用地道冷卻空氣，然后通過機械送風(fēng)或誘導(dǎo)式通風(fēng)系統(tǒng)送至地面上的建筑物，達(dá)到降溫目的的一種專門技術(shù)。系統(tǒng)相當(dāng)于一臺空氣－土壤的熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱能量的儲存作用來降低建筑物的空調(diào)負(fù)荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境，由于系統(tǒng)簡單、節(jié)省能量而引起人們的重視。該技術(shù)初期主要應(yīng)用于影劇院、禮堂和工業(yè)產(chǎn)房等公共建筑物，使用已建成的地下工程如城市人防工程、防空洞提供冷風(fēng)，具有工程造價低，經(jīng)濟(jì)效果和節(jié)能效果顯著的優(yōu)點。近年來，由于新建建筑多不具備從人防工程引風(fēng)的條件，在無現(xiàn)成地道可利用的情況下，需要建造專供空氣冷卻用的簡易地道。在設(shè)計階段，需要準(zhǔn)確預(yù)計地道冷卻能力的算法，以確定地道的參數(shù)――尺寸、長度、埋深及間距等等，以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。本文通過建立傳熱模型，模擬空氣在地道內(nèi)的冷卻過程，分析各參數(shù)對地道冷卻效果的影響，提出可行的地道風(fēng)降溫工程設(shè)計方法。2地道傳熱模型地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱過程是通過空氣與地下埋管及周邊土壤之間的熱交換實現(xiàn)的，并且受到外界氣象條件和系統(tǒng)實際運行情況的影響。本文通過研究空氣通過地道時的冷卻過程，采用合理的計算方法模擬土壤溫度的變化特性，建立地道準(zhǔn)三維傳熱模型，該模型由模擬地道降溫過程的二維非穩(wěn)態(tài)土壤傳熱模型和一維流體傳熱模型組成。由于地道長度相對直徑要大的多，傳熱過程中土壤沿軸向的傳熱量很小，因而在本模型中忽略沿地道軸向土壤傳熱，將土壤沿地道軸向分解為多個互相絕熱的土壤單元。土壤中溫度場為沿徑向的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，傳熱方程如式（1），α為土壤的熱擴散率（m2/s）：(1)為了簡化計算，認(rèn)為地道斷面的流速分布為均勻分布，將流動近似為一維流動。取管道內(nèi)某一段空氣為控制體，根據(jù)控制體內(nèi)能量守恒，得微分方程如式（2），t為地道內(nèi)空氣溫度；V為控制體體積；G為地道內(nèi)空氣流量；h為壁面對流換熱系數(shù)，F(xiàn)為控制體內(nèi)空氣與壁面的接觸面積，ts為壁面溫度。（2）圖2計算模型網(wǎng)格劃分圖3一維流體傳熱模型邊界條件：網(wǎng)格除了上邊界為地表面，其他外邊界均為土壤。邊界距離地道埋管足夠遠(yuǎn)，埋管對邊界溫度影響可以忽略，因而邊界溫度為該處地層的原始溫度。地層τ時刻y米深度的原始溫度t(y,τ)可按式（3）計算，式中Ad為全年地面溫度波動振幅，Z為溫度波的波動周期（全年8760小時）：(3)地道內(nèi)空氣的雷諾數(shù)一般都在104～1.2×105之間，因此空氣與壁面之間的對流換熱過程屬于管內(nèi)紊流強迫對流換熱過程?？紤]了壁面粗糙度和凝水兩項影響因素。模型在一個時間步長內(nèi)，沿地道軸向逐個計算土壤單元徑向傳熱和管道內(nèi)空氣－土壤傳熱，可模擬地道沿程土壤溫度和空氣溫度的分布情況。對于上述方程采用有限差分法求解，離散化時空間上采用中間差分格式，時間上為確保解的收斂，采用了全隱差分格式。3模擬結(jié)果為評價地道不同設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)冷卻效果的影響，以上述模型為基礎(chǔ)對地道長度、埋深、風(fēng)速、間距和運行方式等不同變量進(jìn)行模擬。模型所使用的全年實時氣象參數(shù)由清華大學(xué)開發(fā)的“逐時氣象生成系統(tǒng)Medpha”生成，地道全年每天24小時持續(xù)運行，截面為1m×1m方形埋管，取7月1日～3日作為典型日進(jìn)行模擬結(jié)果分析。城3.1勸跟地道長度的影灶響端地道長度是地清道風(fēng)降溫系統(tǒng)妙設(shè)計中的重要賣參數(shù)，文中分哥別模擬了地道腔長度為破50m限、菠100m底、側(cè)200m騰和薦300m新的工況，地道緞中心埋深為抵3.5m訓(xùn)，地道內(nèi)風(fēng)速涼保持辣3m利/果s貸。如屢圖蝴4趴所示，隨著地朱道長度的增加脹，土壤對通過怎地道空氣的冷畜卻作用增強，磁地道平均出風(fēng)努溫度降低。若解采用地道風(fēng)系歉統(tǒng)作為建筑物寫的冷源，室內(nèi)辮空調(diào)設(shè)定溫度貸按箭2蛙6燒℃緞計算，地道風(fēng)騙所能提供的冷席量如并圖微5按所示，地道越曠長，系統(tǒng)提供靜冷量的能力越武穩(wěn)定，反之地吉道越短，系統(tǒng)幟冷卻能力隨著悟室外溫度變化殿的幅度就越大增。當(dāng)室外溫度抗較高時，短地店道此時由于出蠟風(fēng)溫度升高的否幅度較大，所返能提供的冷量此較少，地道風(fēng)束降溫系統(tǒng)的冷劇卻效果較差。顧圖序4掘爪地道長度對地矩道出風(fēng)溫度的喜影逮響膜腦您圖著5曬計地道長度對地弟道風(fēng)提供冷量沒的影響疼3.2萄山地道埋深的影蔑響揚地道埋深是地譜道風(fēng)降溫系統(tǒng)愧設(shè)計中另一個準(zhǔn)需要考慮的重守要參數(shù)，在其購他參數(shù)保持不湊變的情況下，追模擬不同地道急埋深對地道出著風(fēng)溫度的影響恢，地道中心埋旱深分別為貍1.5m竄，斥2.5m祥，酒3.5m莫和碧5.5m嚷，地道長度為曲200m萬。腎圖籌6考表示隨著地道梢深度的增加，摩由于地層溫度扮波動幅度減小啊，夏季深層土稈壤溫度較低，幣地道出口風(fēng)溫蜂隨之下降，系薯統(tǒng)的冷卻能力撲上升。但當(dāng)深絞度大于半4m浩后，隨深度的存增加地層溫度頑波幅變化很小耕，地道出口風(fēng)濫溫降幅不大。抓且由于地道埋劫深增加將直接嘉導(dǎo)致地道造價跡升高，在工程反設(shè)計中，地道悟埋深以不超過令4m燭為宜?？蓤D抗6壘槳地道埋深對地賺道出風(fēng)溫度的僻影響權(quán)細(xì)岡圖拆7摩午不同地道長度徐和地道風(fēng)速下址地道提供冷量咬3.3穗潤地道內(nèi)風(fēng)速的粱影響摸地道內(nèi)風(fēng)速影朱響了地道壁面觀對流換熱系嶄數(shù)糞h組的大小，同時究也決定地道風(fēng)再降溫系統(tǒng)的設(shè)群計風(fēng)量，是風(fēng)拔機選型所必需調(diào)的參數(shù)之一。崇圖容7逢模擬了其200m透長地道，風(fēng)速睡分別為側(cè)1m遮/錫s潑，分3m骨/敘s晃，鈔5m市/蒜s具和或7m貓/幫s盤時，系統(tǒng)給室勺內(nèi)提供的平均蹈冷量曲線。來由于地道風(fēng)系母統(tǒng)提供的冷灑量綁Q尊與送風(fēng)溫差（貍空調(diào)設(shè)定溫燙度完t和set犧－地道出風(fēng)溫倉度瞧t概tub被）和系統(tǒng)風(fēng)備量頭G遷的乘積成正比離。當(dāng)?shù)氐纼?nèi)風(fēng)溝速較低時，雖伴然地道出風(fēng)溫濱度肥t住tub哈較低，送風(fēng)溫久差狗（檔t修set霸-t尊out魄）值較大，但張因質(zhì)量流宏量醋G鞠較小，冷拔量鑼Q扶值較??；隨著妄地道內(nèi)的風(fēng)速袋升高戚，概Q才值隨之升高；各但是當(dāng)?shù)氐纼?nèi)品風(fēng)速繼續(xù)增加先，界t咽tub盡逐漸升高接茄近陸t腥set悟時懇，泰扭Q春值趨向澤于堤0夕甚至出現(xiàn)負(fù)值斬。在一定的地具道長度下，存先在一個風(fēng)速，例在該風(fēng)速下地棍道提供的冷量總最大，定義這劃個風(fēng)速為最優(yōu)臥風(fēng)同速索v型u柳。最優(yōu)風(fēng)速炮v撒u竭隨著地道長度殘的增加而增加秤，即地道長度票增加，風(fēng)速可意以進(jìn)一步提高敬，以提供更多炊的冷量和風(fēng)量敲。顯3.4僻昆多根埋管管間彼距對地道降溫秩能力的影響上采用多根埋管例平行敷設(shè)的設(shè)碎計時，地道之保間溫度場相互陡影響使土壤的娛溫度分布不同輕于單管時土壤趁的溫度分布。兇模擬單根地道萄和兩根地道間美距撐1m蒜、般3m廣工況，地道粉200m立長，地道內(nèi)風(fēng)布速為姜3m蠟/論s謎。由待圖泛8戲可見，兩管運抖行時出口風(fēng)溫抬高于單管運行禍時爽0.丹5裙～葡1揭℃梢。出口風(fēng)溫的搜升高導(dǎo)致地道掉提供冷量能力桑的下降。經(jīng)計遮算，單管運行籌時，地道大約沈能提吸供吐9.2k飄w茫冷量；間距駱3m醉的雙管運行時遍，每根地道只唱能提咸供拔7.9k釘w妖；間距禾1m拔運行時，甚至管只能提惹供斗5.7k穿w艱的冷量。在地奏道設(shè)計中，如僵果使用多根埋笑管，應(yīng)該考慮誓到多管的相互嚷影響以及地道光提供冷量能力另的降低，而不滿能將單根埋管戚的計算冷量單莖純疊加。斑圖花8瞞孫管間距對地道蕉降溫能力的影島響慘候舍圖晚9倡紅單管土壤橫截砌面溫度場分布紛（既100m杜處，下同）悼圖協(xié)10錄睜土壤橫截面溫劇度場分布（雙流管間距沒1m遮）下豈針圖脾1愧1曲土壤橫截面溫誼度場分布（雙牙管間距道3m程）源3.5造扯地道運行方式版對地道降溫能稿力的影響下地道風(fēng)降溫系翁統(tǒng)在商用建筑晃中應(yīng)用時，系灘統(tǒng)只在建筑物羅使用時段內(nèi)運與行，即采用日遮間歇的運行方婦式。晝圖攜1鷹2揮模擬儲200m塌長地道在持續(xù)分運行和間歇運鞋行腳（視8掘時如至紐1心8腳時地道通風(fēng)，享其余時間不使蒙用）時的出風(fēng)晨溫度。間歇運游行時，地道出誰風(fēng)溫度粒比連續(xù)運行時嘉約低連1篩℃瑞。這是由于間淋歇運行相當(dāng)于吩減少了地道總導(dǎo)運行時間，使辰地道附近土壤呆溫度不致增加忍的過快的緣故支。4工程應(yīng)用紙北京某小學(xué)教貪學(xué)樓擬采用地映道風(fēng)降溫系統(tǒng)被在供冷季提供杏建筑所需冷量灘。該地道降溫飼系統(tǒng)使用期為弄5姑月壘2兔1希日久～也7懶月委1振0父日群。每天通風(fēng)時方間為外早最9墨：臥0尊0盜～宣晚鳴1肢7艇：炒0穩(wěn)0劑。設(shè)吸計懷4庭根管徑為愈1.2m喪的混凝土預(yù)制襲埋管，中心間譯距乒2.4m烤。單根地道最蠶大送風(fēng)量為腰20000m姓3根/水h敲，風(fēng)機分檔變漁風(fēng)量以適應(yīng)建倉筑物不同時期式的冷量需求。丟要求確定地道沿的設(shè)計長度。浸在模擬計算中爹，通過優(yōu)化控際制方案，計算獨地道風(fēng)降溫系患統(tǒng)提供的冷量爹曲線，該曲線監(jiān)應(yīng)接近建筑物蛇需要的冷負(fù)荷肚曲線（由建筑證物逐時能耗分建析軟件模擬得挖到），滿足冷倡量需求的最短咳地道長度就是哲地道的設(shè)計長碰度。模擬結(jié)果偽顯示，俊290m疼長的地道在整遵個供冷季大部交分時間足以滿飼足建筑物冷負(fù)強荷需要，當(dāng)室洽外溫度處于峰臣值時，建筑物夾所需的冷量較狂多，此時通過濃提高地道內(nèi)風(fēng)瘡速使地道提供揪的冷量也處于浮峰值。地道運變行最后幾天，汁由于連續(xù)運行既造成地道壁面裁溫升，提供冷膏量能力略有下生降。根據(jù)模擬隨結(jié)果，供冷局期狐9念0宰％的時間能夠靈滿足使用要求寇。由此確定地哪道設(shè)計長度為鉆290m螞。5小結(jié)駕本文建立準(zhǔn)三拳維非穩(wěn)態(tài)空氣賽－土壤傳熱模程型，通過對典俘型算例的模擬鳴，得出地道降餐溫冷卻能力隨涌地道長度，埋饅深，管間距增沉加而遞增；隨易風(fēng)速增加而遞坊減的規(guī)律。且烈在一定的地道遺長度下，存在窯一個最優(yōu)風(fēng)速襯，在該風(fēng)速下咳地道提供的冷辟量最大。運行疊方案也是地道蔬設(shè)計時需要考界慮的重要參數(shù)刺之一，間歇運升行能使地道供絮冷時間延長，踏為了控制初投塑資和保證地道蓮降溫能力，設(shè)脈計時應(yīng)按地道快實際運行情況悔進(jìn)行模擬。參考文獻(xiàn)妥(1)鍬權(quán)牟靈泉．地道繡風(fēng)降溫計算與音應(yīng)用．北京：望中國建筑工業(yè)搶出版社杜，俯1982.4膠(2)A.紙trombe垃,L.ser跳re徒