地道风在建筑通风空调中的利用研究

《地道风在建筑通风空调中的利用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、地道风在建筑通风空调中的利用研究南京理工大学桂玲玲张少凡摘要：利用地道风节约建筑空调和通风能耗这一课题,是在提倡开发、利用新能源及可再生能源的形势下重新提出来的，具有应用前景。本文在分析地道风降(升)温技术的研究现状的基础上,分析并计算了土壤温度分布特性，将第四类边界条件即耦合边界条件引进地下工程的动态传热数值模型中，建立空气和壁面之间传热的数学模型。在非等温、非等热流边界条件下，对空气和地道换热过程进行模拟分析，系统地分析了各种因素对地道风降(升)温的影响，计算出不同条件下室外空气经地道换热后的空气终温，为地道风在通风空调中的应用提供了依据。关键词：地道风，通风空调，耦合边界，动

2、态模拟1地道风在建筑通风空调中的利用节约能源，已经无处不在，所谓节能，首要的是从能源上来考虑。从已有的能源利用上来节能，仅仅是一个方面，而发展新能源和可再生能源，这对可持续发展战略具有重大现实意义[1][2]。地道风在建筑通风空调中的利用研究，就是减少建筑能耗的途径之一。利用地道风就是利用天然的地层蓄热（冷）性能，为建筑物提供冷（热）量。夏季，室外的空气进入地道内，通过与地道壁面的传热，可以达到降温的目的，然后送入房间；冬季，通过地道与空气之间的传热，提高送入房间的室外空气的温度。上世纪七、八十年代，地道风曾在我国得到了广泛应用，利用其夏凉冬暖的优点，将地道风经过简单过滤处理后引入

3、室内。在地道风降温应用的初期,曾一度使用热平衡方程式来推导和计算各项参数[3]。此时，国内学者根据空气放热与地道壁面吸热这个热交换平衡关系建立了早期的模型。但该模型不能全面反映地道冷却作用的特性，因而不能准确地反映空气经地道冷却降温的真实过程。后来，国内的一些学者把地道模拟为一个圆形断面，用比较稳定的土壤温度代替变化的壁面温度，还提出了当量热传递层厚度的概念，并根据夏季热量在壁体中蓄存而在冬季向大气自然散发的假设推导的。这虽有一定的进步，但仍无法准确地反映出空气沿地道长度及随通风时间变化的动态过程。有些研究人员提出了新的观点[4]，即把空气在地道中与壁面的传热过程定义为既非等热流又

4、非等温边界条件下的不稳定传热问题。但由于建立数学模型及求解过程的复杂性、繁琐性，上述方法并未广泛地推广开来。近年来，模拟分析的方法也用于地道风的换热研究。文献[5]指出了地道长度、半径、空气流速和地道埋深等四个变量影响其换热性能。文献[6]提出空气和地道壁面之间传热的数值模拟，其结果要达到各个参数之间的最优化。本文在分析了土壤沿深度和时间的变化规律后，计算了土壤在一年中的温度分布，然后通过建立地道内的三维模型，模拟岩层和地道内空气的传热过程。2地层温度的特性分析及计算地道风传热主要发生在空气与地层之间，所以了解地层温度特性与原始大地温度的分布是进行地下传热分析的基础。土壤中温度场为

5、沿径向的非稳态传热过程，它在周期性边界条件下的温度场可以用傅立叶导热微分方程来描述[7]。(2.1)式中—地层内任意点的过余温度=t(y,)-t0(℃)；t(y,)—地层内任意深度任意时刻的地温(℃)；t0—年平均地表面温度，比年平均气温略高(℃)；—从地表面年最高温度出现算起的时间(h)；a—地层材料的导温系数(m2/h)；y—从地表面算起的地层深度(m)。地道周围的土壤温度是确定地道降温作用的主要因素之一,最好能使用多年土壤温度的实测资料。地温t(y,)随地层深度y和时间的变化，可按下列公式计算：(2.2)式中A0—地表面温度年周期性波动波幅(℃)；T—年温度波动周期，8760

6、小时。由于地层的蓄热作用，所以在温度波向地层深处传递时，会出现衰减现象，并且相对于地面温度波而言，地层内的温度波还存在着时间上的延迟。因此，在夏（冬）季，由于温度波的这种衰减及延迟效应，使地层深处的温度处于较低（高）的数值。地道风降（升）温系统正是利用了地层温度变化的这一有利条件，使夏（冬）季室外的热（冷）空气在地道中得到了冷却或升温。根据南京地区土壤物性参数[8]：土壤年平均温度=17.2℃，地表面温度周期波动的振幅A=15.4℃，热扩散系数a=9.17×10-7m2/s。根据上式可用MATLAB软件算出南京地区土壤初始温度随深度、时间的变化图，如图2.1所示。图2.1土壤初始温

7、度随深度及时间的变化3物理模型的建立地道风系统传热过程是通过空气与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，实际运行过程很复杂。但是地道内空气主要处于紊流状态，边界层所占的比例很小，空气流内部温度差别相对也比较小，由于实际温度较为复杂，在研究时需作以下的假设对换热模型进行简化：地道内同一截面的流体（空气）具有相同的物理参数，即相同的温度、含湿量、流速，空气简化为一维变化，只考虑流动方向的传热传湿；而洞体岩层（含壁面）按分布参数处理，同时考虑