廣州某小學(xué)土壤－空氣換熱系統(tǒng)夏季降溫的數(shù)值模擬摘要：采用溫度場疊加方法，對土壤－空氣埋管換熱系統(tǒng)進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，計算了埋管進出口溫度隨時間的動態(tài)變化。對廣州某小學(xué)土壤－空氣換熱系統(tǒng)的夏季降溫效果進行了測試，測試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果間差別不超過1℃。并對影響土壤－空氣換熱系統(tǒng)降溫性能的因素進行了模擬，模擬結(jié)果表明：換熱器出口溫度隨外界氣溫和土壤表面獲得的輻射能的周期性變化而呈周期性變化；隨著埋管長度的增加和換熱器管徑的減小，換熱器出口溫度降低，而且受氣溫和太陽輻射的影響減小，溫度變化幅度減小，供冷性能提高。本文對土壤自然冷源的有效利用、土壤－空氣換熱器的設(shè)計與降溫性能的評價具有很好的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵字：換熱器夏季降溫數(shù)值模擬自然通風(fēng)1引言在土壤深度方向上，隨著太陽輻射波的衰減和熱量的傳遞，一般地，地表深度4m以下的全年土壤溫度基本可以穩(wěn)定于年平均氣溫，因此可把深層的土壤作為溫度較為恒定的蓄熱體，因地制宜可分別在夏冬兩季把土壤作為冷源和熱源，通過土壤－空氣換熱系統(tǒng)，用于減小建筑空間的空調(diào)負(fù)荷或直接用于降溫、采暖等。近20年來，土壤－空氣換熱系統(tǒng)已被用于溫室[1,2]、醫(yī)院[3]、學(xué)校[4,5]等建筑，在炎熱地區(qū)的夏季，把外界空氣的熱量通過換熱器釋放給土壤，起到降溫和降空調(diào)負(fù)荷的作用，在暖通空調(diào)和建筑節(jié)能方面得到了廣泛的應(yīng)用[6]。廣州地處亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，夏熱時間長，高溫高濕氣候持久，最冷月平均溫度13.3℃，日平均溫度大于等于25℃的天數(shù)100～200天，是夏熱冬暖氣候的代表城市[7]。廣州地區(qū)的空調(diào)設(shè)計，以夏季制冷為主，考慮防熱、除濕等問題，夏季城市居民普遍使用空調(diào)制冷；而冬季大部分時間氣溫都在10度以上，基本上不用采暖問題。廣州最熱月份的室外最高溫度可達(dá)35℃以上，而地下3.2m深處的土壤溫度全年基本維持在25℃左右，并且室外最高溫度的月份出現(xiàn)在7～8月份之間，而地下3.2m深處土壤的最高溫度延遲到10月份左右。因此可以利用地層和室外空氣之間的溫差，使用地下土壤作為自然冷源降溫。2數(shù)學(xué)模型前人的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中濕遷移對傳熱的影響小于0.1%，因此可忽略土壤中的濕分遷移，忽略空氣在換熱器表面上的冷凝，僅考慮顯熱的影響。土壤－空氣換熱系統(tǒng)如圖1示，近換熱器區(qū)的土壤溫度受地表太陽輻射能和換熱器內(nèi)空氣流動換熱的共同作用，采用溫度場疊加方法，把有換熱管存在的溫度場視為受太陽輻射能傳遞影響的自然土壤溫度與受埋管中空氣降溫影響的土壤溫度的疊加。土壤的熱傳導(dǎo)方程為：(1)式中，,Cp,k分別為土壤的密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。土壤－空氣換熱管內(nèi)空氣的能量方程：(2)式中，,Ca,分別為空氣的溫度、密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；為管壁的對流換熱系數(shù)；這里忽略管內(nèi)深度方向的溫度分度。地表為一個很復(fù)雜的邊界條件，有熱傳導(dǎo)、對流、輻射等多種傳熱方式，但土壤間的熱量傳遞與地表和環(huán)境大氣間的換熱量存在平衡關(guān)系，表示為第三類邊界條件：(5)式中，y表示距離土壤表面的深度；,,分別為管壁、室外空氣和土壤表面的溫度。，分別為土壤表面和管壁的對流換熱系數(shù)，表示為土壤表面風(fēng)速和管內(nèi)平均風(fēng)速的函數(shù)：在土壤－空氣換熱系統(tǒng)的進口x=0和出口x=L處，忽略x方向的導(dǎo)熱，表示為絕熱邊界條件：對以上控制方程進行離散化，聯(lián)合初始條件和邊界條件，采用控制容積法數(shù)值求解，控制容積法嚴(yán)格保證了在控制體積上變量的守恒性。3數(shù)值模擬的實驗驗證針對廣州的夏季氣候特點，在廣州某小學(xué)建立了土壤－空氣系統(tǒng)降溫的示范工程，如圖3示。地基工程中預(yù)埋管長60m，埋管深度為3.75m，管徑0.35m，2002年7月對換熱管的供冷性能進行了實驗測試，通風(fēng)量2000m3/h，換熱管出口溫度的實測數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果對比，如圖4示，二者吻合較好，溫度差別基本不超過1℃。圖3廣州某小學(xué)土壤－空氣換熱系統(tǒng)示意圖圖4換熱器出口溫度實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比4模擬結(jié)果與討論土壤－空氣換熱系統(tǒng)的降溫效果取決于換熱管長、管徑以及通風(fēng)量，采用以上數(shù)學(xué)模型，對不同管長和管徑的換熱管出口溫度日變化進行模擬，計算時間從晚上零點至第二日的零點，入口空氣溫度采用通用的余弦函數(shù)表示：(9)其中，t－時間，h，變化范圍為0:00～24:00。4.1換熱管長的影響對土壤－空氣換熱系統(tǒng)，固定管徑0.2m和平均風(fēng)速2m/s，計算換熱管長度不同的情況下的出口溫度，結(jié)果如圖5示。圖5不同管長條件下?lián)Q熱管出口溫度的變化由圖5，當(dāng)入口空氣溫度變化范圍為最高36℃和最低27.5℃，波動振幅8.5℃，通過土壤－空氣換熱系統(tǒng)的降溫效應(yīng)，長20m、40m和60m的換熱管出口溫度變化分別為26.1~33.6℃(7.5℃)、24.7~31.2℃(6.5℃)和23.8~29.5(5.7℃)?？梢?，在周期性的太陽輻射和入口溫度條件下，換熱管出口溫度亦呈周期性變化，但隨著換熱管長度的增加，出口溫度變化的幅度明顯減小。這是由于隨著換熱管長的增加，土壤與空氣間的換熱面積和換熱時間增大，空氣降溫和供冷效果更為明顯。4.2管徑的影響改變土壤－空氣換熱系統(tǒng)的管徑，模擬結(jié)果如圖6示，在式（9）表示的周期性入口溫度條件下，管徑為0.3m換熱系統(tǒng)出口溫度變化范圍為25.7～32.6℃，一天95%時間內(nèi)溫度低于32.5℃；而管徑0.1m的換熱管出口溫度在95%時間內(nèi)低于25.5℃，降溫效果更為明顯，溫度范圍更窄，為22.3～25.6℃，振幅減小，換熱管的供冷效能也更為穩(wěn)定。換熱管管徑減小，使得土壤與空氣間的換熱面積減小，但在平均風(fēng)速不變的條件下，空氣的流量及其需釋放的熱量也隨管徑減小而減小，實際降溫效果由二者間對比關(guān)系決定，從模擬結(jié)果來看，在換熱系統(tǒng)半徑從0.1m～0.3m的變化范圍內(nèi)，空氣流量對降溫效果的影響更為顯著，因此小管徑有利于得到更低的出口溫度。5結(jié)論對土壤－空氣換熱系統(tǒng)出口空氣溫度的數(shù)值模擬結(jié)果表明：換熱器出口溫度隨外界氣溫和土壤表面獲得的輻射能的周期性變化而呈周期性變化，但隨著換熱器管長的增加和管徑的減小，換熱器出口的空氣溫度降低，而且受氣溫和太陽輻射的影響減小，溫度變化幅度減小，供冷效能更為穩(wěn)定。模擬結(jié)果與廣州某小學(xué)的實際測試結(jié)果進行了對比，兩者間的溫度差別基本不超過1℃，吻合較好。本文的研究表明：在我國華南地區(qū)如廣州的夏季，以土壤為冷源，使用土壤－空氣換熱系統(tǒng)能起到較好的降溫效果，可用于降低學(xué)校等低層建筑的夏季空調(diào)負(fù)荷，具有很好的節(jié)能和環(huán)保意義。參考文獻1SantamourisM,MihalakakouG,ArgiriouA,etal.Ontheperformanceofbuildingscoupledwithearthtoairheatexchangers[J].SolarEnergy,1995,54(6):375-3802江晴，李戩洪，梅建濱，溫室空氣－土壤換熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J].太陽能學(xué)報，2002，23（2）：227-233SodhaMS,SharmaAK.Evaluationofanearth-air-tunnelsystemforcooling/heatingofahospitalcomplex[J].BuildingandEnvironment,1985,20(2):115-1224WuHJ,ZhuDS,LiJ,etal.Thermalperformancestudiesandenergyconversationpotentialofanearth-air-pipesystemwithdesiccantcooling,ProceedingsofInternationalSymposiumofEnhancedHeatTransfer&EnergyConservation,China,2004:1405-14115WuHJ,ZhuDS,LiJ,etal.Thermodynamicanalysisofearthcoolingsystemcombinedwithadsorptiondehumidificationforairconditioning[J].SouthChinaUniversityofTechnology,2003,31(7):37-416ThanuNM,SawhneyRL,KhareRN,etal.Anexperimentalofthethermal