王紀(jì)力波

摘 要：土壤-空氣換熱器是一種備受歡迎的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)。對(duì)系統(tǒng)中熱濕傳遞過程的定量分析是評(píng)價(jià)其熱工性能的關(guān)鍵。外部環(huán)境中空氣溫度、含濕量以及土壤溫度波動(dòng)在年周期中均呈簡(jiǎn)諧波動(dòng)。本文建立了簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候下土壤-空氣換熱器熱濕耦合傳遞解析模型。通過對(duì)比新模型與顯熱傳遞解析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，說明了濕傳遞對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)估的影響。

關(guān)鍵詞：土壤-空氣換熱器;簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候;熱濕耦合;解析模型

引 言

地道風(fēng)系統(tǒng)可以被理解為土壤-空氣換熱器，常被用來汲取地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)對(duì)空氣冷卻/加熱，以節(jié)省能源[1]。為了評(píng)估和預(yù)測(cè)土壤-空氣熱交換器的熱工性能，需要建立準(zhǔn)確的傳熱模型。實(shí)際上，地埋管入口的室外空氣溫度以日和年周期呈簡(jiǎn)諧波動(dòng)。管道周圍土壤的溫度也呈周期性的波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)受到管內(nèi)空氣換熱的擾動(dòng)。因此簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候和土壤溫度波動(dòng)對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)熱工性能有較大影響。有部分學(xué)者將簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候納入到對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)的性能評(píng)估研究中[2-5]，但是忽略了管內(nèi)空氣含濕量的變化以及濕傳遞對(duì)整個(gè)換熱過程的影響。對(duì)重慶、北京和哈爾濱的典型氣象年日平均空氣含濕量數(shù)據(jù)[6]進(jìn)項(xiàng)擬合，如圖1所示，結(jié)果表明室外空氣含濕量在年周期中也呈簡(jiǎn)諧波動(dòng)。目前已有相關(guān)研究表明濕傳遞對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)性能評(píng)估的影不可忽略[7-10]。

本文的目的是在前人簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候下地道風(fēng)系統(tǒng)性能評(píng)估顯熱傳遞解析模型的基礎(chǔ)上，將室外空氣含濕量波動(dòng)也納入到簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候中，建立一個(gè)簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候下地道風(fēng)系統(tǒng)的熱濕耦合傳遞解析模型。此外，通過假設(shè)案例，對(duì)新建立模型與顯熱傳遞解析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，論證考慮傳濕效應(yīng)的必要性。

2. 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

圖3是兩種解析模型對(duì)地埋管出口空氣溫度振幅比和相位差沿管長(zhǎng)變化的預(yù)測(cè)結(jié)果。兩種解析模型對(duì)出口空氣溫度的預(yù)測(cè)結(jié)果相同，因?yàn)闊釢耨詈蟼鬟f解析模型是在顯熱傳遞解析模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而得，兩者關(guān)于空氣溫度的解析解是一致的。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣溫度振幅沿管長(zhǎng)方向衰減，出口處空氣溫度振幅衰減至入口空氣溫度振幅的0.56;空氣溫度相位滯后程度沿管長(zhǎng)方向增加，出口處空氣溫度相位滯后0.16，即相位滯后接近10天。

圖4是熱濕耦合傳遞解析模型對(duì)地埋管出口空氣含濕量振幅比和相位差沿管長(zhǎng)變化的預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣含濕量振幅沿管長(zhǎng)方向呈單調(diào)降低的趨勢(shì)，出口處空氣含濕量振幅減少至入口空氣含濕量振幅的0.67;空氣含濕量的相位差沿管長(zhǎng)方向增加，出口處空氣含濕量相位滯后0.19，即相位滯后接近11天。顯熱傳遞解析模型沒有考慮地埋管內(nèi)濕傳遞，所以我們認(rèn)為管內(nèi)含濕量振幅比始終等于1，并且相位差為0。

圖5是兩種解析模型對(duì)地埋管出口空氣焓值振幅比和相位差沿管長(zhǎng)變化的預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣焓振幅會(huì)隨著管長(zhǎng)增加而不斷衰減，相位會(huì)隨著管長(zhǎng)方向不斷滯后。與不考慮濕傳遞的解析模型預(yù)測(cè)結(jié)果相比，熱濕耦合傳遞解析模型對(duì)出口空氣焓振幅比的預(yù)測(cè)結(jié)果減小了76.4%，出口空氣焓相位滯后天數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果增加8天。這說明濕傳遞對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)出口焓波動(dòng)曲線有著非常明顯的影響。

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于前人的地道風(fēng)系統(tǒng)顯熱傳遞解析模型，提出了一種評(píng)價(jià)簡(jiǎn)諧波動(dòng)氣候下土壤-空氣換熱器內(nèi)部熱濕耦合傳遞性能的顯式解析模型。給出了年波動(dòng)周期內(nèi)地埋管出口空氣溫度和含濕量的幅值衰減和相移的顯式解

EAHEs導(dǎo)致空氣溫度和含濕量的波動(dòng)振幅衰減和相位滯后。當(dāng)空氣與EAHE管壁之間發(fā)生濕傳遞時(shí)，濕傳遞會(huì)加大了空氣焓相移，加速了空氣焓的波動(dòng)振幅衰減。這說明在評(píng)價(jià)EAHE供冷或供熱能力的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，考慮EAHE內(nèi)部熱濕傳遞的耦合效應(yīng)是必要的。

實(shí)際上，忽略了濕傳遞產(chǎn)生的潛熱對(duì)地埋管管壁換熱的影響，這種簡(jiǎn)化處理的適用工況范圍還有待確定，本文研究工作的下一步內(nèi)容將包括對(duì)更加完善的熱濕耦合傳遞理論模型以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究。

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