地道风降温技术的数值模拟和应用研究

张田

1 引言 地道风降温是近几十年来发展起来的一门新技术，指利用地道冷却空气，然后通过机械送风或诱导式通风系统送至地面上的建筑物，达到降温目的的一种专门技术。系统相当于一台空气－土壤的热交换器，利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用来降低建筑物的空调负荷，改善室内热环境，由于系统简单、节省能量而引起人们的重视。 该技术初期主要应用于影剧院、礼堂和工业产房等公共建筑物，使用已建成的地下工程如城市人防工程、防空洞提供冷风，具有工程造价低，经济效果和节能效果显著的优点。近年来，由于新建建筑多不具备从人防工程引风的条件，在无现......


1 引言
地道风降温是近几十年来发展起来的一门新技术，指利用地道冷却空气，然后通过机械送风或诱导式通风系统送至地面上的建筑物，达到降温目的的一种专门技术。系统相当于一台空气－土壤的热交换器，利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用来降低建筑物的空调负荷，改善室内热环境，由于系统简单、节省能量而引起人们的重视。

该技术初期主要应用于影剧院、礼堂和工业产房等公共建筑物，使用已建成的地下工程如城市人防工程、防空洞提供冷风，具有工程造价低，经济效果和节能效果显著的优点。近年来，由于新建建筑多不具备从人防工程引风的条件，在无现成地道可利用的情况下，需要建造专供空气冷却用的简易地道。在设计阶段，需要准确预计地道冷却能力的算法，以确定地道的参数――尺寸、长度、埋深及间距等等，以优化系统设计。
本文通过建立传热模型，模拟空气在地道内的冷却过程，分析各参数对地道冷却效果的影响，提出可行的地道风降温工程设计方法。
2 地道传热模型
地道风系统传热过程是通过空气与地下埋管及周边土壤之间的热交换实现的，并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响。本文通过研究空气通过地道时的冷却过程，采用合理的计算方法模拟土壤温度的变化特性，建立地道准三维传热模型，该模型由模拟地道降温过程的二维非稳态土壤传热模型和一维流体传热模型组成。
由于地道长度相对直径要大的多，传热过程中土壤沿轴向的传热量很小，因而在本模型中忽略沿地道轴向土壤传热，将土壤沿地道轴向分解为多个互相绝热的土壤单元。土壤中温度场为沿径向的二维非稳态传热过程，传热方程如式（1），α为土壤的热扩散率（m2/s）：
　　　　(1)
为了简化计算，认为地道断面的流速分布为均匀分布，将流动近似为一维流动。取管道内某一段空气为控制体，根据控制体内能量守恒，得微分方程如式（2），t为地道内空气温度；V为控制体体积；G为地道内空气流量；h为壁面对流换热系数，F为控制体内空气与壁面的接触面积，ts为壁面温度。
　　　　（2）

图2 计算模型网格划分　　 图3 一维流体传热模型
边界条件：网格除了上边界为地表面，其他外边界均为土壤。边界距离地道埋管足够远，埋管对边界温度影响可以忽略，因而边界温度为该处地层的原始温度。地层τ时刻y米深度的原始温度t(y,τ) 可按式（3）计算，式中Ad为全年地面温度波动振幅，Z为温度波的波动周期（全年8760小时）：
　　　　(3)
地道内空气的雷诺数一般都在104～1.2×105之间，因此空气与壁面之间的对流换热过程属于管内紊流强迫对流换热过程。考虑了壁面粗糙度和凝水两项影响因素，强迫对流换热系数可按（4）式计算，式中de为地道的当量直径：
　　　　（4）
模型在一个时间步长内，沿地道轴向逐个计算土壤单元径向传热和管道内空气－土壤传热，可模拟地道沿程土壤温度和空气温度的分布情况。对于上述方程采用有限差分法求解，离散化时空间上采用中间差分格式，时间上为确保解的收敛，采用了全隐差分格式。
3 模拟结果
为评价地道不同设计参数对系统冷却效果的影响，以上述模型为基础对地道长度、埋深、风速、间距和运行方式等不同变量进行模拟。模型所使用的全年实时气象参数由清华大学开发的“逐时气象生成系统Medpha”生成，地道全年每天24小时持续运行，截面为1m×1m方形埋管，取7月1日～3日作为典型日进行模拟结果分析。
3.1 地道长度的影响
地道长度是地道风降温系统设计中的重要参数，文中分别模拟了地道长度为50m、100m、200m和300m的工况，地道中心埋深为3.5m，地道内风速保持3m/s。如图4所示，随着地道长度的增加，土壤对通过地道空气的冷却作用增强，地道平均出风温度降低。若采用地道风系统作为建筑物的冷源，室内空调设定温度按26℃计算，地道风所能提供的冷量如图5所示，地道越长，系统提供冷量的能力越稳定，反之地道越短，系统冷却能力随着室外温度变化的幅度就越大。当室外温度较高时，短地道此时由于出风温度升高的幅度较大，所能提供的冷量较少，地道风降温系统的冷却效果较差。

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