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(zhuān)門(mén)技術(shù)。本文通過(guò)建立模擬地道降溫過(guò)程的空氣－土壤準(zhǔn)三維傳熱模型，分析地道長(zhǎng)度、埋深等參數(shù)對(duì)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(jì)、運(yùn)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，指利用地道冷卻空氣，然后通過(guò)機(jī)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(zhuān)門(mén)技術(shù)。系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)空氣－土壤的熱交換器，利用地層對(duì)自然界的冷、熱能量的儲(chǔ)存作用來(lái)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(jiǎn)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(jià)低，經(jīng)濟(jì)效果和節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于新建建筑多不具備從人防工程引風(fēng)的條件，在無(wú)現(xiàn)成地道可利用的情況下，需要建造專(zhuān)供空氣冷卻用的簡(jiǎn)易地道。在設(shè)計(jì)階段，需要準(zhǔn)確預(yù)計(jì)地道冷卻能力的算法，以確定地道的參數(shù)――尺寸、長(zhǎng)度、埋深及間距等等，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)建立傳熱模型，模擬空氣在地道內(nèi)的冷卻過(guò)程，分析各參數(shù)對(duì)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(jì)方法。2地道傳熱模型地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱過(guò)程是通過(guò)空氣與地下埋管及周邊土壤之間的熱交換實(shí)現(xiàn)的，并且受到外界氣象條件和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的影響。本文通過(guò)研究空氣通過(guò)地道時(shí)的冷卻過(guò)程，采用合理的計(jì)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(guò)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(zhǎng)度相對(duì)直徑要大的多，傳熱過(guò)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(gè)互相絕熱的土壤單元。土壤中溫度場(chǎng)為沿徑向的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，傳熱方程如式（1），α為土壤的熱擴(kuò)散率（m2/s）：(1)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為地道斷面的流速分布為均勻分布，將流動(dòng)近似為一維流動(dòng)。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(duì)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(jì)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(duì)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(shí)刻y米深度的原始溫度t(y,τ)可按式（3）計(jì)算，式中Ad為全年地面溫度波動(dòng)振幅，Z為溫度波的波動(dòng)周期（全年8760小時(shí)）：(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(duì)流換熱過(guò)程屬于管內(nèi)紊流強(qiáng)迫對(duì)流換熱過(guò)程。考慮了壁面粗糙度和凝水兩項(xiàng)影響因素。模型在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，沿地道軸向逐個(gè)計(jì)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(duì)于上述方程采用有限差分法求解，離散化時(shí)空間上采用中間差分格式，時(shí)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(píng)價(jià)地道不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)冷卻效果的影響，以上述模型為基礎(chǔ)對(duì)地道長(zhǎng)度、埋深、風(fēng)速、間距和運(yùn)行方式等不同變量進(jìn)行模擬。模型所使用的全年實(shí)時(shí)氣象參數(shù)由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的“逐時(shí)氣象生成系統(tǒng)Medpha”生成，地道全年每天24小時(shí)持續(xù)運(yùn)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。港3.1監(jiān)晚地道長(zhǎng)度棟的影響室地道長(zhǎng)度木是地道風(fēng)干降溫系統(tǒng)厭設(shè)計(jì)中的姓重要參數(shù)叢，文中分驅(qū)別模擬了等地道長(zhǎng)度趴為木50印m處、解100喚m山、答200辮m借和境300喇m就的工況，淘地道中心皆埋深遠(yuǎn)為萌3.5策m慈，地道內(nèi)租風(fēng)速保蹈持毅3m/絹s拆。如度圖狡4科所示，隨下著地道長(zhǎng)緣度的增加經(jīng)，土壤對(duì)粒通過(guò)地道煮空氣的冷項(xiàng)卻作用增宰強(qiáng)，地道獸平均出風(fēng)段溫度降低旦。若采用貢地道風(fēng)系訪(fǎng)統(tǒng)作為建鉛筑物的冷墊源，室內(nèi)逢空調(diào)設(shè)定堡溫度星按偷2僻6驅(qū)℃貝計(jì)算，地友道風(fēng)所能肆提供的冷頑量如眾圖礙5婆所示，地昨道越長(zhǎng)，孝系統(tǒng)提供音冷量的能多力越穩(wěn)定環(huán)，反之地叨道越短，拒系統(tǒng)冷卻蕩能力隨著按室外溫度銷(xiāo)變化的幅他度就越大逢。當(dāng)室外緒溫度較高夸時(shí)，短地棒道此時(shí)由貸于出風(fēng)溫允度升高的兵幅度較大壁，所能提綠供的冷量咐較少，地厘道風(fēng)降溫汗系統(tǒng)的冷奸卻效果較順差?；鴪D藍(lán)4競(jìng)灣地道長(zhǎng)度耀對(duì)地道出區(qū)風(fēng)溫度的督影姜響徑崇渣圖羞5騙喊地道長(zhǎng)度劑對(duì)地道風(fēng)擠提供冷量喇的影響腰3.2耀內(nèi)地道埋深掙的影響賄地道埋深度是地道風(fēng)避降溫系統(tǒng)拳設(shè)計(jì)中另爽一個(gè)需要敬考慮的重娛要參數(shù)，奮在其他參拘數(shù)保持不填變的情況姥下，模擬怖不同地道吳埋深對(duì)地睛道出風(fēng)溫葉度的影響匪，地道中疼心埋深分陣別凡為流1.5士m強(qiáng)，它2.5魔m舒，感3.5雞m陳和碼5.5牢m黑，地道長(zhǎng)悲度校為容200顏m顫?？p圖總6省表示隨著忠地道深度嚇的增加，傘由于地層不溫度波動(dòng)亦幅度減小濤，夏季深尤層土壤溫膝度較低，接地道出口阻風(fēng)溫隨之更下降，系襪統(tǒng)的冷卻邀能力上升雖。但當(dāng)深嚼度大把于捐4貿(mào)m腿后，隨深名度的增加爺?shù)貙訙囟葕A波幅變化街很小，地彎道出口風(fēng)叔溫降幅不牙大。且由級(jí)于地道埋趙深增加將形直接導(dǎo)致柔地道造價(jià)貧升高，在帽工程設(shè)計(jì)阻中，地道名埋深以不怎超涉過(guò)花4話(huà)m倒為宜。卵圖斬6拜兆地道埋深決對(duì)地道出厲風(fēng)溫度的酒影響麥鳥(niǎo)征圖三7騰侄不同地道旨長(zhǎng)度和地掘道風(fēng)速下波地道提供絕冷量甩3.3蔽畫(huà)地道內(nèi)風(fēng)愈速的影響委地道內(nèi)風(fēng)醬速影響了淺地道壁面抖對(duì)流換熱帶系還數(shù)塵h獨(dú)的大小，恩同時(shí)也決旁定地道風(fēng)敢降溫系統(tǒng)孟的設(shè)計(jì)風(fēng)線(xiàn)量，是風(fēng)米機(jī)選型所壯必需的參塵數(shù)之一。辜圖濱7馳模擬劣了香200目m難長(zhǎng)地道，近風(fēng)速分別元為擁1m/里s持，來(lái)3m/速s尸，色5m/舟s煉和胸7m/籍s潛時(shí)，系統(tǒng)櫻給室內(nèi)提辰供的平均危冷量曲線(xiàn)詢(xún)。犯由于地道垂風(fēng)系統(tǒng)提鴿供的冷嗚量救Q義與送風(fēng)溫辮差（空調(diào)喇設(shè)定溫露度絕t馬set腹－地道出椒風(fēng)溫崇度這t慚tub逮）和系統(tǒng)麻風(fēng)組量街G攻的乘積成飾正比。當(dāng)泛地道內(nèi)風(fēng)盞速較低時(shí)萍，雖然地食道出風(fēng)溫佩度徐t歇tub節(jié)較低，送輝風(fēng)溫差巧（囑t揚(yáng)set錫-t斑out革）值較大先，但因質(zhì)旱量流終量拒G儉較小，冷近量敵Q講值較小；慣隨著地道穩(wěn)內(nèi)的風(fēng)速可升高恭，烏Q圣值隨之升免高；但是感當(dāng)?shù)氐纼?nèi)纏風(fēng)速繼續(xù)提增加磨，壓t各tub沫逐漸升高漫接拼近媽t社set近時(shí)名，撫部Q累值趨向森于蓬0喝甚至出現(xiàn)睛負(fù)值。在與一定的地訴道長(zhǎng)度下夠，存在一擦個(gè)風(fēng)速，侍在該風(fēng)速誕下地道提剪供的冷量外最大，定指義這個(gè)風(fēng)番速為最優(yōu)然風(fēng)創(chuàng)速杯v顏u凍。最優(yōu)風(fēng)蚊速渴v朗u徐隨著地道嗚長(zhǎng)度的增五加而增加呀，即地道豬長(zhǎng)度增加察，風(fēng)速可炭以進(jìn)一步座提高，以屯提供更多膏的冷量和編風(fēng)量。暴3.4冰從多根埋管思管間距對(duì)遺地道降溫蕉能力的影部響渴采用多根笑埋管平行攻敷設(shè)的設(shè)禍計(jì)時(shí)，地捷道之間溫口度場(chǎng)相互哄影響使土庸壤的溫度大分布不同蜂于單管時(shí)蹈土壤的溫狂度分布。制模擬單根見(jiàn)地道和兩焦根地道間栗距倡1軟m長(zhǎng)、耗3翠m鞭工況，地燭道更200籃m先長(zhǎng)，地道伍內(nèi)風(fēng)速亞為探3m/針s和。由聞圖患8挨可見(jiàn)，兩炎管運(yùn)行時(shí)朝出口風(fēng)溫債高于單管缺運(yùn)行莖時(shí)坦0.鳥(niǎo)5贈(zèng)～聽(tīng)1宿℃錦。出口風(fēng)局溫的升高鼻導(dǎo)致地道矮提供冷量扎能力的下填降。經(jīng)計(jì)宅算，單管么運(yùn)行時(shí)，斃地道大約急能提芒供否9.2k府w湖冷量；間敗距已3攔m捉的雙管運(yùn)唯行時(shí)，每針根地道只貍能提雹供捆7.9k評(píng)w愿；間裕距趙1毯m岸運(yùn)行時(shí)，高甚至只能舊提節(jié)供勞5.7k今w功的冷量。棗在地道設(shè)眾計(jì)中，如哪果使用多襲根埋管，郊應(yīng)該考慮膽到多管的虧相互影響飾以及地道閑提供冷量睬能力的降勢(shì)低，而不躬能將單根巴埋管的計(jì)話(huà)算冷量單檢純疊加。箭圖太8糟戴管間距對(duì)療地道降溫染能力的影切響兵汁兼圖勢(shì)9握悉單管土壤慈橫截面溫后度場(chǎng)分布旗（競(jìng)100右m賭處，下同退）撞圖原10紋需土壤橫截屆面溫度場(chǎng)掀分布（雙晚管間顏距績(jī)1變m乓）止習(xí)抖圖是1則1涂土壤橫截飄面溫度場(chǎng)聽(tīng)分布（雙牲管間濟(jì)距型3技m知）脖3.5漂堂地道運(yùn)行液方式對(duì)地斯道降溫能或力的影響示地道風(fēng)降瓶溫系統(tǒng)在眼商用建筑崖中應(yīng)用時(shí)屢，系統(tǒng)只快在建筑物望使用時(shí)段絹內(nèi)運(yùn)行，違即采用日嚷間歇的運(yùn)怒行方式。駕圖享1戶(hù)2勒模徑擬普200柄m揉長(zhǎng)地道在承持續(xù)運(yùn)行笛和間歇運(yùn)員行俊（笛8導(dǎo)時(shí)看至倘1憶8仇時(shí)地道通啊風(fēng)，其余妖時(shí)間不使畝用）時(shí)的驢出風(fēng)溫度揉。間歇運(yùn)疾行時(shí)，地饑道出風(fēng)溫古度脆比連續(xù)運(yùn)閃行時(shí)約張低捆1助℃扯。這是由培于間歇運(yùn)剛行相當(dāng)于濃減少了地購(gòu)道總運(yùn)行構(gòu)時(shí)間，使鴉地道附近海土壤溫度宇不致增加款的過(guò)快的救緣故。誕4怪伙工程應(yīng)用旬北京某小夾學(xué)教學(xué)樓嘴擬采用地葡道風(fēng)降溫垃系統(tǒng)在供刷冷季提供攤建筑所需蘇冷量。該昏地道降溫甩系統(tǒng)使用足期安為則5副月潔2椒1罵日求～己7截月婦1維0翅日。每天回通風(fēng)時(shí)間曠為答早吉9生：瘋0槍0畝～提晚園1躁7果：勺0險(xiǎn)0州。設(shè)勤計(jì)及4炭根管徑閱為抬1.2規(guī)m凱的混凝土享預(yù)制埋管雞，中心間假距矮2.4徑m框。單根地沸道最大送勒風(fēng)量跑為瓶2000首0m吸3前/德h闖，風(fēng)機(jī)分貫檔變風(fēng)量棗以適應(yīng)建照筑物不同悠時(shí)期的冷澤量需求。乘要求確定桃地道的設(shè)欄計(jì)長(zhǎng)度。滔在模擬計(jì)址算中，通醬過(guò)優(yōu)化控籃制方案，飲計(jì)算地道手風(fēng)降溫系堆統(tǒng)提供的才冷量曲線(xiàn)塞，該曲線(xiàn)班應(yīng)接近建捎筑物需要詞的冷負(fù)荷蔬曲線(xiàn)（由放建筑物逐侮時(shí)能耗分賠析軟件模將擬得到）悅，滿(mǎn)足冷約量需求的龍最短地道虛長(zhǎng)度就是姐地道的設(shè)判計(jì)長(zhǎng)度?；菽M結(jié)果臘顯示物，瓦290片m悔長(zhǎng)的地道句在整個(gè)供康冷季大部蠟分時(shí)間足豆以滿(mǎn)足建立筑物冷負(fù)用荷需要，昂當(dāng)室外溫陡度處于峰配值時(shí)，建草筑物所需壯的冷量較殘多，此時(shí)拜通過(guò)提高桶地道內(nèi)風(fēng)蘇速使地道沈提供的冷播量也處于問(wèn)峰值。地音道運(yùn)行最斗后幾天，屬由于連續(xù)漲運(yùn)行造成思地道壁面博溫升，提睜供冷量能躬力略有下爆降。根據(jù)捉模擬結(jié)果挑，供冷蠶期脖9扯0嶼％的時(shí)間香能夠滿(mǎn)足晌使用要求晶。由此確蓄定地道設(shè)曠計(jì)長(zhǎng)度有為弊290姥m煩。5小結(jié)甘本文建立負(fù)準(zhǔn)三維非奪穩(wěn)態(tài)空氣墻－土壤傳罰熱模型，傾通過(guò)對(duì)典瞎型算例的暮模擬，得典出地道降圓溫冷卻能產(chǎn)力隨地道前長(zhǎng)度，埋古深，管間觸距增加而疏遞增；隨他風(fēng)速增加顫而遞減的易規(guī)律。且浪在一定的農(nóng)地道長(zhǎng)度企下，存在齒一個(gè)最優(yōu)漂風(fēng)速，在剛該風(fēng)速下檢地道提供藍(lán)的冷量最婆大。運(yùn)行布方案也是悲地道設(shè)計(jì)燕時(shí)需要考備慮的重要硬參數(shù)之一含，間歇運(yùn)趣行能使地追道供冷時(shí)擴(kuò)間延長(zhǎng)，筒為了控制鉤初投資和義保證地道汗降溫能力驕，設(shè)計(jì)時(shí)渠應(yīng)按地道粥實(shí)際運(yùn)行戰(zhàn)情況進(jìn)行音模擬。參考文獻(xiàn)剃(1)和約牟靈泉．昆地道風(fēng)降曲溫計(jì)算與慎應(yīng)用．北咳京：中國(guó)扒建筑工業(yè)完出版社抄，衰1982俱.4柏(2)糧A.tr憐ombe定,L.s善err