郭海豐，韓 悅 ，張萱芮

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

化石燃料仍然是目前人類消耗的主要能源，隨著世界人口的增長(zhǎng)和發(fā)展中國(guó)家人均生活水平的提高，對(duì)能源的需求也在快速增長(zhǎng)。在我國(guó)的能源消耗總量中，建筑能耗約占45.5%，而采暖、通風(fēng)和空調(diào)能耗約占建筑運(yùn)行能耗的2/3。氣候變化和全球變暖作為人類社會(huì)主要威脅，根本上可以與能源消耗和溫室氣體排放聯(lián)系在一起[1]，從2000～2011年，住宅能源消耗增長(zhǎng)了14%，大部分增長(zhǎng)都發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和保護(hù)環(huán)境，我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，將開發(fā)和利用可再生能源作為重要戰(zhàn)略，引入了許多被動(dòng)技術(shù)。被動(dòng)技術(shù)除需要很少的傳統(tǒng)能源用于運(yùn)行風(fēng)扇進(jìn)行空氣循環(huán)外，均使用可再生能源。而我國(guó)大部分地區(qū)地?zé)崮艿瓤稍偕茉促Y源比較豐富，因此地?zé)崮芤呀?jīng)成為通過(guò)被動(dòng)方式對(duì)建筑物進(jìn)行供暖和制冷的最有吸引力的來(lái)源之一[2]，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，目前來(lái)看對(duì)地埋管的研究具有很大的發(fā)展前景。因此，為了更好地利用地?zé)崮埽訌?qiáng)對(duì)地埋管的利用，需要充分了解影響地埋管性能的因素。

1 地表?xiàng)l件的影響

Bansal等[3]研究了在黑化和上釉的表面下進(jìn)行冬季加熱和在陰涼及濕潤(rùn)的表面下進(jìn)行夏季冷卻兩種情況下的地埋管的性能。Mihalakakou等[4]比較了埋在裸土和短草覆蓋的土壤下的地埋管的冷卻能力，并且得到結(jié)論：草覆土降低了年溫變化，裸土表面增加了系統(tǒng)的供熱能力。

2 管道參數(shù)的影響

管道長(zhǎng)度的影響：Sodha等[5]發(fā)現(xiàn)地埋管的出口氣溫一般在夏季隨管道長(zhǎng)度減少，冬季隨管道長(zhǎng)度增加，但變化率可能隨位置而變化。Kabashnikov等[6]的研究表明，地埋管的熱效率隨著管道長(zhǎng)度的增加而增加，并在一定長(zhǎng)度處接近飽和，該飽和長(zhǎng)度取決于溫度振蕩的頻率。

管道半徑的影響：Badescu[7]通過(guò)對(duì)被動(dòng)房（PH）空間加熱的試驗(yàn)研究，開發(fā)了地面換熱器模型，試證了半徑越大的地埋管，加熱和冷卻的潛力越大。

管道材料的影響：Argiriou等[8]分析了使用由不同材料制成的地埋管的地道風(fēng)系統(tǒng)的熱性能，例如塑料，鋁，混凝土和毛坯。Serageldin等[9]對(duì)三種不同的管材：PVC，鋼和銅進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，得到PVC管的出口空氣溫度為19.7℃，鋼的出口空氣溫度為19.8℃，銅的出口空氣溫度為19.8℃。因此得出結(jié)論：從經(jīng)濟(jì)性考慮，與管道材料的成本相比，各種管材的出口氣溫變化可以忽略。

管道埋深的影響：Lee等[10]在EnergyPlus中開發(fā)了一個(gè)新模塊，用于模擬地埋管。使用該新模塊，進(jìn)行參數(shù)分析以研究管道深度對(duì)冷卻季節(jié)期間各種條件下地埋管性能的影響。管道埋藏深度對(duì)管的整體冷卻速度有影響，而管道半徑和空氣流量主要影響地埋管入口溫度。最終得到，隨著深度的增加，管內(nèi)流動(dòng)空氣的溫度會(huì)降低，因此地埋管應(yīng)該埋在足夠深度的地方。Wu等[11]測(cè)試了不同深度埋地管的熱性能，發(fā)現(xiàn)地埋管出口空氣溫度在27.2℃和31.7℃之間變化，當(dāng)埋深分別在1.6m和3.2m時(shí)，出口空氣溫度分別為25.7℃和30.7℃。

管道空氣流速的影響：Sodha等[12]將標(biāo)準(zhǔn)大小的房間（4 m×3 m×3 m）與理想的地道風(fēng)系統(tǒng)相連接，分析了加熱度和冷卻度的中間值，分析了三種不同氣候?qū)Φ乇聿煌幚矸绞降挠绊懀罱K得到，在增加管道空氣的流速時(shí)，達(dá)到房間特定冷卻負(fù)荷所需的隧道長(zhǎng)度減少。Kabashnikov等[6]建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)土壤熱交換器中土壤和空氣的溫度，該模型基于傅里葉積分形式的溫度表示。計(jì)算得到熱交換器效率隨著地埋管中空氣流速的減小而降低。

3 相鄰地埋管熱干擾的影響

當(dāng)?shù)氐里L(fēng)系統(tǒng)由單個(gè)埋管組成，不足以提供建筑物所需足夠的加熱量或冷卻量時(shí)，開始設(shè)計(jì)并研究了具有多個(gè)地埋管的多管道地道風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的管道可能會(huì)影響彼此的性能，因此必須合理放置。Bojic等[13]對(duì)地埋管進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道數(shù)量增加了4倍時(shí)，能源利用率平均增加2.6倍。夏季的所有能源利用率的值都比冬天高3.2倍。在管道長(zhǎng)度為5m的短管中，氣溫幾乎保持不變。在帶有4根管道且管道長(zhǎng)度為50m的地道風(fēng)系統(tǒng)中，空氣從管道中排出的溫度幾乎等于土壤溫度。如果管道長(zhǎng)度L小于17 m時(shí)，選擇4個(gè)管道而不是兩個(gè)管道，此時(shí)夏季地埋管取熱更具有經(jīng)濟(jì)性。Kabashnikov等[6]研究了地埋管間距對(duì)系統(tǒng)效率的影響。發(fā)現(xiàn)每個(gè)管的每日平均熱功率的峰值下降程度與管道間距的變化有關(guān)，而與管道直徑無(wú)關(guān)。地埋管之間的間距減小到1.5m導(dǎo)致的功率損失為5%～ 15%，間距減小到1m的功率損失為10%～ 25%。Yoon等[14]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)了管道間隔對(duì)各種條件下管道傳熱的影響，將年交換熱率定義為相鄰管之間熱干擾導(dǎo)致傳熱減少的指標(biāo)。對(duì)于地埋管數(shù)量為2、4、6和8時(shí)，可以得到，隨著布置間隔的減小，年熱交換率變小，并且隨著管數(shù)的增加，該負(fù)梯度也逐漸變大。

4 其他參數(shù)的影響

Singh[15]引入了兩個(gè)新參數(shù)，即扇形因子和隧道尺寸因子，扇形因子基本為排氣扇和橫截面積的函數(shù)，隧道尺寸因子是隧道表面面積的函數(shù)，二者在隧道的橫截面積上統(tǒng)一化，顯著影響地道風(fēng)系統(tǒng)中的地埋管性能，通過(guò)二者也有利于確定系統(tǒng)的尺寸。風(fēng)扇系數(shù)將用于確定最佳隧道系統(tǒng)的風(fēng)扇尺寸，而用隧道尺寸參數(shù)確定隧道尺寸，以便在房間內(nèi)獲得更好的熱舒適性條件。Ahmed等[16]還研究了出口高度對(duì)出口溫度的影響。使用FLUENT 15.0軟件為水平地埋管冷卻系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)熱模型，通過(guò)模擬結(jié)果得到了出口高度會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，將出口部分的高度增加到0.1m以上時(shí)，獲得的熱能很快就會(huì)消失，出口溫度接近入口溫度。因此可以使出口部分絕緣或使出口部分的高度保持在0.1m以下，從而使負(fù)有效性最小化，得到更好的冷卻效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要總結(jié)了國(guó)外對(duì)這些參數(shù)影響地埋管性能的試驗(yàn)與模擬研究。從所分析的文獻(xiàn)中地埋管系統(tǒng)的熱量和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，地埋管的性能很大程度上取決于地表?xiàng)l件，并且可以通過(guò)適當(dāng)修改埋藏在地埋管道上方的地表來(lái)顯著改善，其加熱性能可以通過(guò)在寒冷氣候下對(duì)地表進(jìn)行黑化和上釉來(lái)增強(qiáng)，而遮蔽和潤(rùn)濕表面可以適合于改善冷卻性能，特別是在炎熱干燥的氣候中。埋管的長(zhǎng)度被視為最為顯著的影響參數(shù)，在長(zhǎng)度為20～30m的埋地管道中可以實(shí)現(xiàn)空氣溫度的最大下降以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱性能的顯著改善，增加管道長(zhǎng)度基本上可以大到產(chǎn)生舒適的室內(nèi)空氣溫度。當(dāng)?shù)芈窆懿蛔阋蕴峁┙ㄖ锼枳銐虻募訜崃炕蚶鋮s量時(shí)，多管道地道風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)，地埋管間距可以降低土壤熱勢(shì)，并且降低熱勢(shì)的能力隨著間距的增加而增大，但較大的間隙需要更大的土地面積，使系統(tǒng)的成本增加。管道的材料不會(huì)影響地埋管的性能，因此從經(jīng)濟(jì)性的角度建議使用更便宜的管道。地埋管出口部分的高度在整體性能中起主要作用，并且出口溫度下降的速度隨著出口部分高度的增加而迅速增加，因此該部分必須保持最小和絕緣。

系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行可以改變加熱和冷卻土壤的潛力，因此土壤的熱回收可以在期望的時(shí)間內(nèi)保持系統(tǒng)的有效性能。管道之間的間距可以起土壤恢復(fù)方面的重要作用，夜間空氣較低也可以用來(lái)恢復(fù)土壤熱容量，但需要消耗能量來(lái)運(yùn)行鼓風(fēng)機(jī)。因此，需要經(jīng)濟(jì)分析來(lái)確定夜間鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的吹掃時(shí)間。但是目前有關(guān)土壤熱恢復(fù)行為的研究有限，對(duì)推廣土壤熱恢復(fù)機(jī)制造成阻礙。更長(zhǎng)的地埋管可以增加空氣停留時(shí)間以達(dá)到更好地傳熱，因此，可以使用蛇形布置。但是這種布置會(huì)增加壓降，需要更高的能量以保持系統(tǒng)功能和保持系統(tǒng)熱性能。關(guān)于這方面的文獻(xiàn)也十分有限，阻礙了討論不同管道布置對(duì)地埋管的性能影響。因此建議詳細(xì)研究這些方面，進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)地埋管技術(shù)的發(fā)展。