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(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門技術(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，以優(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?？紤]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。城3.1勸跟地道長(zhǎng)度的影灶響端地道長(zhǎng)度是地清道風(fēng)降溫系統(tǒng)妙設(shè)計(jì)中的重要賣參數(shù)，文中分哥別模擬了地道腔長(zhǎng)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?zèng)霰３掷?m利/果s貸。如屢圖蝴4趴所示，隨著地朱道長(zhǎng)度的增加脹，土壤對(duì)通過(guò)怎地道空氣的冷畜卻作用增強(qiáng)，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(xiě)的冷源，室內(nèi)辮空調(diào)設(shè)定溫度貸按箭2蛙6燒℃緞?dòng)?jì)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(zhǎng)，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(shí)，短地店道此時(shí)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(zhǎng)度對(duì)地矩道出風(fēng)溫度的喜影逮響膜腦您圖著5曬計(jì)地道長(zhǎng)度對(duì)地弟道風(fēng)提供冷量沒(méi)的影響疼3.2萄山地道埋深的影蔑響揚(yáng)地道埋深是地譜道風(fēng)降溫系統(tǒng)愧設(shè)計(jì)中另一個(gè)準(zhǔn)需要考慮的重守要參數(shù)，在其購(gòu)他參數(shù)保持不湊變的情況下，追模擬不同地道急埋深對(duì)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(zhǎng)度為曲200m萬(wàn)。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(dòng)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(jià)跡升高，在工程反設(shè)計(jì)中，地道悟埋深以不超過(guò)令4m燭為宜?？蓤D抗6壘槳地道埋深對(duì)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(zhǎng)度徐和地道風(fēng)速下址地道提供冷量咬3.3穗潤(rùn)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(duì)流換熱系嶄數(shù)糞h組的大小，同時(shí)究也決定地道風(fēng)再降溫系統(tǒng)的設(shè)群計(jì)風(fēng)量，是風(fēng)拔機(jī)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(zhǎng)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(pán)時(shí)，系統(tǒng)給室勺內(nèi)提供的平均蹈冷量曲線。來(lái)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(cāng)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(shí)，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?。浑S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(shí)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(zhǎng)度下，存先在一個(gè)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(gè)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(zhǎng)度殘的增加而增加秤，即地道長(zhǎng)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(duì)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(jì)時(shí)，地道之保間溫度場(chǎng)相互陡影響使土壤的娛溫度分布不同輕于單管時(shí)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(zhǎng)，地道內(nèi)風(fēng)布速為姜3m蠟/論s謎。由待圖泛8戲可見(jiàn)，兩管運(yùn)抖行時(shí)出口風(fēng)溫抬高于單管運(yùn)行禍時(shí)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(jì)遮算，單管運(yùn)行籌時(shí)，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(yùn)行時(shí)遍，每根地道只唱能提咸供拔7.9k釘w妖；間距禾1m拔運(yùn)行時(shí)，甚至管只能提惹供斗5.7k穿w艱的冷量。在地奏道設(shè)計(jì)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(jì)算冷量單莖純疊加。斑圖花8瞞孫管間距對(duì)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(chǎng)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(chǎng)分布（雙流管間距沒(méi)1m遮）下豈針圖脾1愧1曲土壤橫截面溫誼度場(chǎng)分布（雙牙管間距道3m程）源3.5造扯地道運(yùn)行方式版對(duì)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(shí)，系灘統(tǒng)只在建筑物羅使用時(shí)段內(nèi)運(yùn)與行，即采用日遮間歇的運(yùn)行方婦式。晝圖攜1鷹2揮模擬儲(chǔ)200m塌長(zhǎng)地道在持續(xù)分運(yùn)行和間歇運(yùn)鞋行腳（視8掘時(shí)如至紐1心8腳時(shí)地道通風(fēng)，享其余時(shí)間不使蒙用）時(shí)的出風(fēng)晨溫度。間歇運(yùn)游行時(shí)，地道出誰(shuí)風(fēng)溫度粒比連續(xù)運(yùn)行時(shí)嘉約低連1篩℃瑞。這是由于間淋歇運(yùn)行相當(dāng)于吩減少了地道總導(dǎo)運(yùn)行時(shí)間，使辰地道附近土壤呆溫度不致增加忍的過(guò)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(shí)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(jì)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(jī)分檔變漁風(fēng)量以適應(yīng)建倉(cāng)筑物不同時(shí)期式的冷量需求。丟要求確定地道沿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。浸在模擬計(jì)算中爹，通過(guò)優(yōu)化控際制方案，計(jì)算獨(dú)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(shí)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(zhǎng)度就是哲地道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)碰度。模擬結(jié)果偽顯示，俊290m疼長(zhǎng)的地道在整遵個(gè)供冷季大部交分時(shí)間足以滿飼足建筑物冷負(fù)強(qiáng)荷需要，當(dāng)室洽外溫度處于峰臣值時(shí)，建筑物夾所需的冷量較狂多，此時(shí)通過(guò)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(yùn)變行最后幾天，汁由于連續(xù)運(yùn)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(shí)間能夠靈滿足使用要求寇。由此確定地哪道設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(guò)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度下，存在窯一個(gè)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(yùn)行疊方案也是地道蔬設(shè)計(jì)時(shí)需要考界慮的重要參數(shù)刺之一，間歇運(yùn)升行能使地道供絮冷時(shí)間延長(zhǎng)，踏為了控制初投塑資和保證地道蓮降溫能力，設(shè)脈計(jì)時(shí)應(yīng)按地道快實(shí)際運(yùn)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(jì)算與音應(yīng)用．北京：望中國(guó)建筑工業(yè)搶出版社杜，俯1982.4膠(2)A.紙trombe垃,L.ser跳re徒