孟曉靜 盧棒棒

(1.西安建筑科技大學資源工程學院 西安 710055； 2. 西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710055)

*基金項目：國家重點研發(fā)計劃(2018YFC0705300)。

0 引言

地道通風降溫技術[1]是利用淺層土壤溫度低于室外空氣溫度的特點，冷卻流經地道的室外空氣，再通過不同的送風方式將新風送至建筑室內。對于大空間公共建筑及工業(yè)建筑來說，常常存在自然進風面積不足的問題[2]。當外墻進風面積不能保證自然通風要求時，可在地面設置地下風道作為進風口的方式[3]，引入地道通風來改善室內熱環(huán)境，具有節(jié)約通風及空調能耗的優(yōu)點。

地道通風降溫作為一種被動節(jié)能技術，引起了國內外學者的關注。王加[4]針對莫高窟游客中心接待大廳，介紹了地道通風的設計、運行工況及熱舒適指標計算。劉遠祿等[5]以武漢某高大工業(yè)廠房的地道通風系統(tǒng)為例，利用CFD數(shù)值模擬研究了地道長度和豎井高度對地道熱壓自然通風量及室內溫度的影響規(guī)律。周曉慧等[6]計算了不同土壤含水率和進口風速時地道出口溫度分布，分析了對地道通風系統(tǒng)降溫效果的影響。夏春海等[7]提出了準三維土壤-空氣傳熱傳質模型，分析了地道長度、埋深、進口風速等參數(shù)對地道通風系統(tǒng)效果的影響程度。王林成等[8]模擬研究了冬夏季不同室外環(huán)境溫度下地道風系統(tǒng)的運行升(降)溫效果，得出了夏季經地道處理的新風基本可以直接送入室內，但在冬季使用過程中建議由空調機組加熱后再送入室內。MIHALAKAKOU G等[9]建立了基于地道長度、半徑、埋深及進口風速等4個參數(shù)預測出口溫度的計算模型。BANSAL V 等[10]研究了地道材料和進口風速對地道換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)地道材料對其影響較小，進口風速對其影響較大。上述研究主要集中在地道長度、埋深及進口風速對地道通風系統(tǒng)降溫效果的研究。

由于地道通風系統(tǒng)布置場地的限制，單個管道不能滿足供冷量需求的情況時有發(fā)生。針對地道橫截面形狀及管道布置對地道通風系統(tǒng)的降溫效果鮮有研究。本文針對不同地道長度下送風速度、送風溫度、橫截面形狀及管道布置對地道出口溫度和節(jié)約冷量的影響進行研究，為地道通風系統(tǒng)設計提供參考依據(jù)。

1 地道通風的數(shù)值模擬方法

地道通風物理模型長度為L，室外空氣通過進口流經管道冷卻后經出口排出。在橫截面積相等(S=9 m2)的條件下，研究橫截面為圓形(r=1.693 m)、正方形(3 m×3 m)、長方形(4.5 m×2 m)等不同橫截面形狀對地道降溫效果的影響。在管道總長度相等條件下，研究單管(管長L)和雙管布置(每根管長L/2)對地道通風降溫效果的影響。

采用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent進行數(shù)值計算，選用Realizablek-ε湍流模型。室外空氣在流經地道時由溫差引起的密度變化采用Boussinesq假設。選擇耦合式求解器進行方程求解，壓力速度耦合求解采用Coupled算法，方程的離散采用二階迎風式。以西安夏季工況為例，室外計算干球溫度308 K，室外大氣壓定為標準大氣壓(101 325 Pa)。地道的進口設置為速度入口，出風口設置為自由流出，管道壁設置為定壁溫，取當?shù)赝寥? m深處溫度289.6 K，其物理參數(shù)設置為混凝土參數(shù)。

為了驗證數(shù)值模擬方法的準確性，將不同地道長度下數(shù)值模擬結果與運用文獻[1]中地道通風理論計算進行比較，如圖1所示。從圖中可以看出，數(shù)值模擬的出口溫度隨地道長度的變化規(guī)律與理論計算結果基本一致。但在相同地道長度下數(shù)值模擬得到的出口溫度低于理論計算值，絕對誤差在1.05～1.30 K內。因此，本文數(shù)值模擬方法是可靠的。

圖1 模擬結果與理論計算結果對比

2 結果分析

通過數(shù)值模擬計算，從地道出口溫度及節(jié)約冷量等方面分析不同地道長度下送風速度、送風溫度、橫截面形狀及管道布置對地道降溫效果的影響。

地道通風節(jié)約冷量的計算公式如下：

Q=c×m×△t

式中，Q為節(jié)約冷量，kW；c為空氣的比熱，J/(kgK)；m為空氣質量，kg；△t為地道進出口溫差，K。

2.1 送風參數(shù)的影響

在管道長度為100 m、200 m和300 m時，不同送風速度條件下地道出口溫度和節(jié)約冷量的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，隨著送風速度的變大，地道出口溫度稍有升高，即冷卻效率降低。地道長度為100 m時送風速度從1 m/s增大到5 m/s，出口溫度升高了1.12 K；地道長度為300 m時送風速度從1 m/s增大到5 m/s，出口溫度升高了1.91 K，即管道越長，冷卻效率降低越明顯。隨著送風速度增加，送風量增加，盡管冷卻效率降低，但總的節(jié)約冷量有明顯的增加，如圖2(b)所示。因此，為了提高地道冷卻效率，地道通風設計時在滿足供冷量的前提下，盡量降低送風速度。

(a) 出口溫度

(b) 節(jié)約冷量

在管道長度為100 m、200 m和300 m時，不同送風溫度條件下地道出口溫度和節(jié)約冷量的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出，地道出口溫度和節(jié)約冷量隨著送風溫度的增加而增大。地道長度為100 m時送風溫度為298 K、303 K和308 K時，地道進出口溫差分別為1.59 K、2.71 K和3.81 K，即送風溫度越高，地道進出口溫差越大，降溫效果越明顯，對應節(jié)約的冷量也越大。因此，對于夏季室外溫度高、地層溫度較低的地區(qū)，更適宜利用地道作為進風冷卻方式。

(a) 出口溫度

(b) 節(jié)約冷量

2.2 橫截面形狀及管道布置的影響

圖4是橫截面為圓形(r=1.693 m)、正方形(3 m×3 m)、長方形(4.5 m×2 m)時在不同地道長度下的出口溫度和節(jié)約的冷量。從圖中可以看出，在送風溫度、送風速度及地道長度一定的情況下，橫截面為長方形時出口溫度最低、節(jié)約的冷量最大，其次是正方形，圓形截面出口溫度最高、節(jié)約冷量最少。這是因為在相等的橫截面積中，圓形周長最小，地道內空氣與地道的接觸面減少，換熱降溫效果較差。因此，在設計施工允許范圍內，地道橫截面盡量采用長方形，增大長寬比，提高地道通風降溫效果。

(a) 出口溫度

(b) 節(jié)約冷量

由于地道通風系統(tǒng)布置場地的限制，管道布置對地道降溫效果會產生一定的影響。圖5為單管和雙管布置時的出口溫度和節(jié)約冷量。從圖5(a) 中可以看出單管布置的出口溫度低于雙管出口溫度，且隨著管道長度的增加單管布置與雙管布置的出口溫度差也逐漸增加。這是因為管道長度越長，單雙管的長度差就越大(單管長度是雙管長度的2倍)，從而導致其出口溫差也越大。但在相等的管道長度和橫截面積條件下，雙管布置節(jié)約的冷量要比單管布置大(如圖5(b) )，這是因為雙管布置比單管布置的送風量增加了一倍。

(a) 出口溫度

(b) 節(jié)約冷量

3 結論

地道通風作為被動節(jié)能技術，有著廣泛的應用。研究了不同地道長度下送風速度、送風溫度、橫截面形狀及管道布置對地道出口溫度、節(jié)約冷量的影響，研究結果為地道通風設計提供指導。

(1) 地道冷卻效率隨送風速度的增加而降低，隨送風溫度的增加而增大。為了提高地道冷卻效率，地道通風設計時在滿足供冷量的前提下，盡量降低送風速度；對于夏季室外溫度高、地層溫度較低的地區(qū)，更適宜利用地道作為進風冷卻方式。

(2) 橫截面為長方形時出口溫度最低、節(jié)約的冷量最大。在設計施工允許范圍內，地道橫截面盡量采用長方形，增大長寬比，提高地道通風降溫效果。

(3)在相等的管道長度和橫截面積條件下，雙管布置節(jié)約的冷量要比單管布置大，但雙管布置比單管布置的送風量增加了1倍。在地道通風系統(tǒng)布置場地受限時，合理選擇管道布置，權衡機械送風量和節(jié)約的冷量。