地道风降温技术的数值模拟和应用

地道风降温技术的数值模拟和应用研究摘要：地道风降温指利用地道冷却空气，而后送至地面上的建筑物，达到降温目的的一种专门技术。本文通过建立模拟地道降温过程的空气－土壤准三维传热模型，分析地道长度、埋深等参数对地道传热效果的影响。研究结果可以指导工程的设计、运行和管理。关键字：地道风数值模拟土壤传热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。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。图4地道长度对地道出风温度的影响图5地道长度对地道风提供冷量的影响3.2地道埋深的影响地道埋深是地道风降温系统设计中另一个需要考虑的重要参数，在其他参数保持不变的情况下，模拟不同地道埋深对地道出风温度的影响，地道中心埋深分别为1.5m，2.5m，3.5m和5.5m，地道长度为200m。图6表示随着地道深度的增加，由于地层温度波动幅度减小，夏季深层土壤温度较低，地道出口风温随之下降，系统的冷却能力上升。但当深度大于4m后，随深度的增加地层温度波幅变化很小，地道出口风温降幅不大。且由于地道埋深增加将直接导致地道造价升高，在工程设计中，地道埋深以不超过4m为宜。图6地道埋深对地道出风温度的影响图7不同地道长度和地道风速下地道提供冷量3.3地道内风速的影响地道内风速影响了地道壁面对流换热系数h的大小，同时也决定地道风降温系统的设计风量，是风机选型所必需的参数之一。图7模拟了200m长地道，风速分别为1m/s，3m/s，5m/s和7m/s时，系统给室内提供的平均冷量曲线。由于地道风系统提供的冷量Q与送风温差（空调设定温度tset－地道出风温度ttub）和系统风量G的乘积成正比。当地道内风速较低时，虽然地道出风温度ttub较低，送风温差（tset-tout）值较大，但因质量流量G较小，冷量Q值较小；随着地道内的风速升高，Q值随之升高；但是当地道内风速继续增加，ttub逐渐升高接近tset时，Q值趋向于0甚至出现负值。在一定的地道长度下，存在一个风速，在该风速下地道提供的冷量最大，定义这个风速为最优风速vu。最优风速vu随着地道长度的增加而增加，即地道长度增加，风速可以进一步提高，以提供更多的冷量和风量。3.4多根埋管管间距对地道降温能力的影响采用多根埋管平行敷设的设计时，地道之间温度场相互影响使土壤的温度分布不同于单管时土壤的温度分布。模拟单根地道和两根地道间距1m、3m工况，地道200m长，地道内风速为3m/s。由图8可见，两管运行时出口风温高于单管运行时0.5～1℃。出口风温的升高导致地道提供冷量能力的下降。经计算，单管运行时，地道大约能提供9.2kw冷量；间距3m的双管运行时，每根地道只能提供7.9kw；间距1m运行时，甚至只能提供5.7kw的冷量。在地道设计中，如果使用多根埋管，应该考虑到多管的相互影响以及地道提供冷量能力的降低，而不能将单根埋管的计算冷量单纯叠加。图8管间距对地道降温能力的影响图9单管土壤横截面温度场分布（100m处，下同）图10土壤横截面温度场分布（双管间距1m）图11土壤横截面温度场分布（双管间距3m）3.5地道运行方式对地道降温能力的影响地道风降温系统在商用建筑中应用时，系统只在建筑物使用时段内运行，即采用日间歇的运行方式。图12模拟200m长地道在持续运行和间歇运行（8时至18时地道通风，其余时间不使用）时的出风温度。间歇运行时，地道出风温度比连续运行时约低1℃。这是由于间歇运行相当于减少了地道总运行时间，使地道附近土壤温度不致增加的过快的缘故。4工程应用北京某小学教学楼拟采用地道风降温系统在供冷季提供建筑所需冷量。该地道降温系统使用期为5月21日～7月10日。每天通风时间为早9：00～晚17：00。设计4根管径为1.2m的混凝土预制埋管，中心间距2.4m。单根地道最大送风量为20000m3/h，风机分档变风量以适应建筑物不同时期的冷量需求。要求确定地道的设计长度。在模拟计算中，通过优化控制方案，计算地道风降温系统提供的冷量曲线，该曲线应接近建筑物需要的冷负荷曲线（由建筑物逐时能耗分析软件模拟得到），满足冷量需求的最短地道长度就是地道的设计长度。模拟结果显示，290m长的地道在整个供冷季大部分时间足以满足建筑物冷负荷需要，当室外温度处于峰值时，建筑物所需的冷量较多，此时通过提高地道内风速使地道提供的冷量也处于峰值。地道运行最后几天，由于连续运行造成地道壁面温升，提供冷量能力略有下降。根据模拟结果，供冷期90％的时间能够满足使用要求。由此确定地道设计长度为290m。5小结本文建立准三维非稳态空气－土壤传热模型，通过对典型算例的模拟，得出地道降温冷却能力随地道长度，埋深，管间距增加而递增；随风速增加而递减的规律。且在一定的地道长度下，存在一个最优风速，在该风速下地道提供的冷量最大。运行方案也是地道设计时需要考虑的重要参数之一，间歇运行能使地道供冷时间延长，为了控制初投资和保证地道降温能力，设计时应按地道实际运行情况进行模拟。参考文献(1)牟灵泉．地道风降温计算与应用．北京：中国建筑工业出版社，19