简谐波动气候下土壤-空气换热器热湿耦合传递简化解析模型

王纪力波

摘 要：土壤-空气换热器是一种备受欢迎的被动式节能技术。对系统中热湿传递过程的定量分析是评价其热工性能的关键。外部环境中空气温度、含湿量以及土壤温度波动在年周期中均呈简谐波动。本文建立了简谐波动气候下土壤-空气换热器热湿耦合传递解析模型。通过对比新模型与显热传递解析模型的预测结果，说明了湿传递对系统性能评估的影响。

关键词：土壤-空气换热器;简谐波动气候;热湿耦合;解析模型

引 言

地道风系统可以被理解为土壤-空气换热器，常被用来汲取地热能实现对空气冷却/加热，以节省能源[1]。为了评估和预测土壤-空气热交换器的热工性能，需要建立准确的传热模型。实际上，地埋管入口的室外空气温度以日和年周期呈简谐波动。管道周围土壤的温度也呈周期性的波动，同时还会受到管内空气换热的扰动。因此简谐波动气候和土壤温度波动对地道风系统热工性能有较大影响。有部分学者将简谐波动气候纳入到对地道风系统的性能评估研究中[2-5]，但是忽略了管内空气含湿量的变化以及湿传递对整个换热过程的影响。对重庆、北京和哈尔滨的典型气象年日平均空气含湿量数据[6]进项拟合，如图1所示，结果表明室外空气含湿量在年周期中也呈简谐波动。目前已有相关研究表明湿传递对地道风系统性能评估的影不可忽略[7-10]。

本文的目的是在前人简谐波动气候下地道风系统性能评估显热传递解析模型的基础上，将室外空气含湿量波动也纳入到简谐波动气候中，建立一个简谐波动气候下地道风系统的热湿耦合传递解析模型。此外，通过假设案例，对新建立模型与显热传递解析模型的预测结果进行对比分析，论证考虑传湿效应的必要性。

2. 预测结果分析

图3是两种解析模型对地埋管出口空气温度振幅比和相位差沿管长变化的预测结果。两种解析模型对出口空气温度的预测结果相同，因为热湿耦合传递解析模型是在显热传递解析模型的基础上推导而得，两者关于空气温度的解析解是一致的。结果表明，在假设工况下，空气温度振幅沿管长方向衰减，出口处空气温度振幅衰减至入口空气温度振幅的0.56;空气温度相位滞后程度沿管长方向增加，出口处空气温度相位滞后0.16，即相位滞后接近10天。

图4是热湿耦合传递解析模型对地埋管出口空气含湿量振幅比和相位差沿管长变化的预测结果。结果表明，在假设工况下，空气含湿量振幅沿管长方向呈单调降低的趋势，出口处空气含湿量振幅减少至入口空气含湿量振幅的0.67;空气含湿量的相位差沿管长方向增加，出口处空气含湿量相位滞后0.19，即相位滞后接近11天。显热传递解析模型没有考虑地埋管内湿传递，所以我们认为管内含湿量振幅比始终等于1，并且相位差为0。

图5是两种解析模型对地埋管出口空气焓值振幅比和相位差沿管长变化的预测结果。结果表明，在假设工况下，空气焓振幅会随着管长增加而不断衰减，相位会随着管长方向不断滞后。与不考虑湿传递的解析模型预测结果相比，热湿耦合传递解析模型对出口空气焓振幅比的预测结果减小了76.4%，出口空气焓相位滞后天数预测结果增加8天。这说明湿传递对地道风系统出口焓波动曲线有着非常明显的影响。

三、结语

本文基于前人的地道风系统显热传递解析模型，提出了一种评价简谐波动气候下土壤-空气换热器内部热湿耦合传递性能的显式解析模型。给出了年波动周期内地埋管出口空气温度和含湿量的幅值衰减和相移的显式解

EAHEs导致空气温度和含湿量的波动振幅衰减和相位滞后。当空气与EAHE管壁之间发生湿传递时，湿传递会加大了空气焓相移，加速了空气焓的波动振幅衰减。这说明在评价EAHE供冷或供热能力的动态特性时，考虑EAHE内部热湿传递的耦合效应是必要的。

实际上，忽略了湿传递产生的潜热对地埋管管壁换热的影响，这种简化处理的适用工况范围还有待确定，本文研究工作的下一步内容将包括对更加完善的热湿耦合传递理论模型以及相关实验的研究。

参考文献

[1] 张锦鹏. 地道蓄热作用下建筑室内气流动态换热模型与实验研究[D]. 重庆大学， 2015.

[2] Hollmuller P. Analytical characterization of amplitude dampening and phase shifting in air/soil heat exchangers[J]. Int J Heat Mass Tran， 2003（46）： 4303-17.

[3] Dong Yang， Jinpeng Zhang. Analysis and experiments on the periodically fluctuating air temperature in a building with earth-air tube ventilation[J]. Build. Environ， 85 （2015）：29-39.

[4] Dong Yang， Yuanhao Guo. Jinpeng Zhang. Evaluation of the thermal performance of an earth-to-air heat exchanger （EAHE） in a harmonic thermal environment[J]. Energy Conversion and Management， 109 （2016）：184-194.

[5] 郭源浩. 熱压与空气-土壤换热器（EAHE）耦合通风换热理论模型研究[D]. 重庆大学， 2016.

[6] 中国气象局气象信息中心气象资料室， 清华大学建筑技术科学系著. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2005.

[7] Hollmuller P.， Lachal B.. Cooling and preheating with buried pipe systems： monitoring， simulation and economic aspects[J]. Energy Buildings， 33 （2001）：509-518.