地道风系统的研究现状及发展趋势

郭海丰，张天枢，冯岑，邓钧予，陈鑫

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

1 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。能源的开发利用飞速地促进了世界经济与人类社会的发展，近年来建筑能耗随着建筑总面积的不断增大，总建筑能耗不断上升。室内热舒适性是由传统的HVAC系统产生的，这些系统消耗大量能源使建筑物能耗占全球能源使用量的40%左右。近年来，为了减少加热或冷却室内空间的能耗，缩小传统暖通空调系统的尺寸，许多被动技术引入到暖通空调的节能领域。地道风系统利用地热能为建筑物供热或供冷，是暖通空调领域的一种有效的节能技术，从目前发展来看，符合国际上许多国家重视新能源利用和可在能生能源开发的重要资源发展策略，已经受到国内和国外广泛地关注和发展。

2 地道风系统的介绍

地道风系统(EATHEs)是利用地道冷却(加热)空气，然后送至地面上的建筑物，达到引入的室外空气降温(升温)的目的，相当于一台土壤—空气的热交换器，利用地层对自然界的冷、热量的储存作用来降低建筑物的空调负荷。在二十世纪六十年代，我国对地道降温系统就开始了研究，由于其系统简单和造价低廉，又因为其冬暖夏凉，所以在公共建筑，剧院得到了广泛的运用。

地道风系统由三部分组成：(1)进口部分；(2)地埋管部分；(3)出口部分。其中地道进风可以是全新风、部分新风或循环风。地埋管换热部分，是重要的换热部件，用于承担建筑负荷。基于EATH系统的诸多优点，对于地道风系统的研究收到国内外学者的重视，目前对地道风系统的主要研究内容包括：土壤的热性能，EATHE的换热性能，以及地道风的尺寸等。

3 土壤的热性能与建立数学模型方法的研究

(1)国内学者对EATHE系统传热传质过程的模型进行了研究，并取得重大突破，周翔提出准三维土壤传热传质模型，对地道通风系统内空气与土壤之间的热物理过程进行数值模拟。该三维模型忽略土壤在地道方向的传热。一些研究人员通过实验研究了土壤温度分布情况，地表温度会影响地下土壤温度，并且可能随着地球的气候条件和表面状况而显着变化。在任何位置的地表温度可以通过以下能量平衡方程确定：

(1)

(2)国外学者更多地使用计算机对地道风系统传热传质进行研究，模拟地道内空气流动模型，Hollmuller开发了一种EATHE仿真模型，该模型执行了的能量平衡方程，并考虑了显热和潜热交换，该模型根据实验数据进行验证。

4 地道风系统的热性能研究

EATHE的热性能可能受各种参数的影响，地表条件，管道的长度，入口空气中的含湿量和土壤的潮湿情况等。

(1)地表因素的影响，地下温度在4米到6米之间的深度几乎保持不变，大致等于地表日照温度的年平均值。Mihalakakou研究了裸土和草覆土对地对空热交换器数量的影响。观察到草覆土降低了年温变化，裸土表面系统增加了加热能力。

(2)管道长度的影响，Derbel最近的研究表明，EATHE的能量负荷随着埋管长度从10米到30米而增大，但在一定距离处变得饱和，通常地道风管长设计在60至70米。

(3)管道埋深的影响：Badescu指出系统的加热和冷却潜力通过增加埋藏深度而增加，但是,对于埋藏深度大于4米，系统的性能不受影响。因此设计地埋管埋深时，尽量不要超过4米，这样不仅可以降低前期的工程投入，也会保证EATHE系统热性能的稳定性。

(4)管道材料的影响：Bansal等人在他们的研究中考虑了PVC管、钢管对EATHE换热性能的影响，结果表明管道的材料不会显着影响EATHE的换热性能，是因为具有较高摩擦系数的材料由于层流底层厚度的减小而略微改善了EATHE换热的性能，因此对流传热比传导传热起着更重要的作用。

5 地道风系统的实际应用与创新设计

由于地道风系统受不同的气候条件，土壤成分等因素影响，许多国内外研究人员将EATHE系统与其他HVAC技术相结合，促进地道风系统的发展。

(1)太阳能烟囱与EATHE的耦合，Li研究了一种创新的被动空调系统，该系统耦合了EATHE系统与供电的太阳能烟囱。太阳能烟囱内风速最高可达0.28m/ 3s，并引导室外空气进入室内。他们观察到使用室外空气，耦合系统的最大冷却能力为2582 W，几乎等于建筑设计的冷却负荷。

(2)EATHE系统用作预热或预冷，Their S研究了一种与土壤换热器相结合的通风系统，该通风系统安装在巴黎地区的两栋建筑物中：一栋建筑配备EATHE系统，包括8根50米长的PE管道，埋深为1.6米；另一栋建筑是由EATHE系统提供处理过的室外新鲜空气，该系统包括6根25米长的管道，埋深为1.6米。作者通过研究建立了有效的EATHE模型，用于降低夏季被动房的不舒适性，改善室内热舒适性。

6 总结

本文综述了地道风技术在国内外研究的现状，分析了地道风在建筑通风方面的应用与发展，并对地道风与其他技术应用的实例进行简单的介绍。在冬季，利用土壤层温度低于室外环境温度，可以作为热源，减少温室气体的排放，具有良好的节能效果。目前大部分地道风的设计参数都只针对实例的地道结构，且受气候影响因素较大，因此在通用性和推广性上都略显不足。