郭海豐，張?zhí)鞓?，馮岑，鄧鈞予，陳鑫

(沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的開發(fā)利用飛速地促進了世界經(jīng)濟與人類社會的發(fā)展，近年來建筑能耗隨著建筑總面積的不斷增大，總建筑能耗不斷上升。室內(nèi)熱舒適性是由傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的，這些系統(tǒng)消耗大量能源使建筑物能耗占全球能源使用量的40%左右。近年來，為了減少加熱或冷卻室內(nèi)空間的能耗，縮小傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的尺寸，許多被動技術(shù)引入到暖通空調(diào)的節(jié)能領(lǐng)域。地道風系統(tǒng)利用地熱能為建筑物供熱或供冷，是暖通空調(diào)領(lǐng)域的一種有效的節(jié)能技術(shù)，從目前發(fā)展來看，符合國際上許多國家重視新能源利用和可在能生能源開發(fā)的重要資源發(fā)展策略，已經(jīng)受到國內(nèi)和國外廣泛地關(guān)注和發(fā)展。

2 地道風系統(tǒng)的介紹

地道風系統(tǒng)(EATHEs)是利用地道冷卻(加熱)空氣，然后送至地面上的建筑物，達到引入的室外空氣降溫(升溫)的目的，相當于一臺土壤—空氣的熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱量的儲存作用來降低建筑物的空調(diào)負荷。在二十世紀六十年代，我國對地道降溫系統(tǒng)就開始了研究，由于其系統(tǒng)簡單和造價低廉，又因為其冬暖夏涼，所以在公共建筑，劇院得到了廣泛的運用。

地道風系統(tǒng)由三部分組成：(1)進口部分；(2)地埋管部分；(3)出口部分。其中地道進風可以是全新風、部分新風或循環(huán)風。地埋管換熱部分，是重要的換熱部件，用于承擔建筑負荷?；贓ATH系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，對于地道風系統(tǒng)的研究收到國內(nèi)外學(xué)者的重視，目前對地道風系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括：土壤的熱性能，EATHE的換熱性能，以及地道風的尺寸等。

3 土壤的熱性能與建立數(shù)學(xué)模型方法的研究

(1)國內(nèi)學(xué)者對EATHE系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程的模型進行了研究，并取得重大突破，周翔提出準三維土壤傳熱傳質(zhì)模型，對地道通風系統(tǒng)內(nèi)空氣與土壤之間的熱物理過程進行數(shù)值模擬。該三維模型忽略土壤在地道方向的傳熱。一些研究人員通過實驗研究了土壤溫度分布情況，地表溫度會影響地下土壤溫度，并且可能隨著地球的氣候條件和表面狀況而顯著變化。在任何位置的地表溫度可以通過以下能量平衡方程確定：

(1)

(2)國外學(xué)者更多地使用計算機對地道風系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)進行研究，模擬地道內(nèi)空氣流動模型，Hollmuller開發(fā)了一種EATHE仿真模型，該模型執(zhí)行了的能量平衡方程，并考慮了顯熱和潛熱交換，該模型根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行驗證。

4 地道風系統(tǒng)的熱性能研究

EATHE的熱性能可能受各種參數(shù)的影響，地表條件，管道的長度，入口空氣中的含濕量和土壤的潮濕情況等。

(1)地表因素的影響，地下溫度在4米到6米之間的深度幾乎保持不變，大致等于地表日照溫度的年平均值。Mihalakakou研究了裸土和草覆土對地對空熱交換器數(shù)量的影響。觀察到草覆土降低了年溫變化，裸土表面系統(tǒng)增加了加熱能力。

(2)管道長度的影響，Derbel最近的研究表明，EATHE的能量負荷隨著埋管長度從10米到30米而增大，但在一定距離處變得飽和，通常地道風管長設(shè)計在60至70米。

(3)管道埋深的影響：Badescu指出系統(tǒng)的加熱和冷卻潛力通過增加埋藏深度而增加，但是,對于埋藏深度大于4米，系統(tǒng)的性能不受影響。因此設(shè)計地埋管埋深時，盡量不要超過4米，這樣不僅可以降低前期的工程投入，也會保證EATHE系統(tǒng)熱性能的穩(wěn)定性。

(4)管道材料的影響：Bansal等人在他們的研究中考慮了PVC管、鋼管對EATHE換熱性能的影響，結(jié)果表明管道的材料不會顯著影響EATHE的換熱性能，是因為具有較高摩擦系數(shù)的材料由于層流底層厚度的減小而略微改善了EATHE換熱的性能，因此對流傳熱比傳導(dǎo)傳熱起著更重要的作用。

5 地道風系統(tǒng)的實際應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計

由于地道風系統(tǒng)受不同的氣候條件，土壤成分等因素影響，許多國內(nèi)外研究人員將EATHE系統(tǒng)與其他HVAC技術(shù)相結(jié)合，促進地道風系統(tǒng)的發(fā)展。

(1)太陽能煙囪與EATHE的耦合，Li研究了一種創(chuàng)新的被動空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)耦合了EATHE系統(tǒng)與供電的太陽能煙囪。太陽能煙囪內(nèi)風速最高可達0.28m/ 3s，并引導(dǎo)室外空氣進入室內(nèi)。他們觀察到使用室外空氣，耦合系統(tǒng)的最大冷卻能力為2582 W，幾乎等于建筑設(shè)計的冷卻負荷。

(2)EATHE系統(tǒng)用作預(yù)熱或預(yù)冷，Their S研究了一種與土壤換熱器相結(jié)合的通風系統(tǒng)，該通風系統(tǒng)安裝在巴黎地區(qū)的兩棟建筑物中：一棟建筑配備EATHE系統(tǒng)，包括8根50米長的PE管道，埋深為1.6米；另一棟建筑是由EATHE系統(tǒng)提供處理過的室外新鮮空氣，該系統(tǒng)包括6根25米長的管道，埋深為1.6米。作者通過研究建立了有效的EATHE模型，用于降低夏季被動房的不舒適性，改善室內(nèi)熱舒適性。

6 總結(jié)

本文綜述了地道風技術(shù)在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，分析了地道風在建筑通風方面的應(yīng)用與發(fā)展，并對地道風與其他技術(shù)應(yīng)用的實例進行簡單的介紹。在冬季，利用土壤層溫度低于室外環(huán)境溫度，可以作為熱源，減少溫室氣體的排放，具有良好的節(jié)能效果。目前大部分地道風的設(shè)計參數(shù)都只針對實例的地道結(jié)構(gòu)，且受氣候影響因素較大，因此在通用性和推廣性上都略顯不足。