不同影响因素对地道通风降温效果的模拟研究*

孟晓静 卢棒棒

(1.西安建筑科技大学资源工程学院 西安 710055； 2. 西部绿色建筑国家重点实验室 西安 710055)

*基金项目：国家重点研发计划(2018YFC0705300)。

0 引言

地道通风降温技术[1]是利用浅层土壤温度低于室外空气温度的特点，冷却流经地道的室外空气，再通过不同的送风方式将新风送至建筑室内。对于大空间公共建筑及工业建筑来说，常常存在自然进风面积不足的问题[2]。当外墙进风面积不能保证自然通风要求时，可在地面设置地下风道作为进风口的方式[3]，引入地道通风来改善室内热环境，具有节约通风及空调能耗的优点。

地道通风降温作为一种被动节能技术，引起了国内外学者的关注。王加[4]针对莫高窟游客中心接待大厅，介绍了地道通风的设计、运行工况及热舒适指标计算。刘远禄等[5]以武汉某高大工业厂房的地道通风系统为例，利用CFD数值模拟研究了地道长度和竖井高度对地道热压自然通风量及室内温度的影响规律。周晓慧等[6]计算了不同土壤含水率和进口风速时地道出口温度分布，分析了对地道通风系统降温效果的影响。夏春海等[7]提出了准三维土壤-空气传热传质模型，分析了地道长度、埋深、进口风速等参数对地道通风系统效果的影响程度。王林成等[8]模拟研究了冬夏季不同室外环境温度下地道风系统的运行升(降)温效果，得出了夏季经地道处理的新风基本可以直接送入室内，但在冬季使用过程中建议由空调机组加热后再送入室内。MIHALAKAKOU G等[9]建立了基于地道长度、半径、埋深及进口风速等4个参数预测出口温度的计算模型。BANSAL V 等[10]研究了地道材料和进口风速对地道换热性能的影响，发现地道材料对其影响较小，进口风速对其影响较大。上述研究主要集中在地道长度、埋深及进口风速对地道通风系统降温效果的研究。

由于地道通风系统布置场地的限制，单个管道不能满足供冷量需求的情况时有发生。针对地道横截面形状及管道布置对地道通风系统的降温效果鲜有研究。本文针对不同地道长度下送风速度、送风温度、横截面形状及管道布置对地道出口温度和节约冷量的影响进行研究，为地道通风系统设计提供参考依据。

1 地道通风的数值模拟方法

地道通风物理模型长度为L，室外空气通过进口流经管道冷却后经出口排出。在横截面积相等(S=9 m2)的条件下，研究横截面为圆形(r=1.693 m)、正方形(3 m×3 m)、长方形(4.5 m×2 m)等不同横截面形状对地道降温效果的影响。在管道总长度相等条件下，研究单管(管长L)和双管布置(每根管长L/2)对地道通风降温效果的影响。

采用CFD数值模拟软件Fluent进行数值计算，选用Realizablek-ε湍流模型。室外空气在流经地道时由温差引起的密度变化采用Boussinesq假设。选择耦合式求解器进行方程求解，压力速度耦合求解采用Coupled算法，方程的离散采用二阶迎风式。以西安夏季工况为例，室外计算干球温度308 K，室外大气压定为标准大气压(101 325 Pa)。地道的进口设置为速度入口，出风口设置为自由流出，管道壁设置为定壁温，取当地土壤5 m深处温度289.6 K，其物理参数设置为混凝土参数。

为了验证数值模拟方法的准确性，将不同地道长度下数值模拟结果与运用文献[1]中地道通风理论计算进行比较，如图1所示。从图中可以看出，数值模拟的出口温度随地道长度的变化规律与理论计算结果基本一致。但在相同地道长度下数值模拟得到的出口温度低于理论计算值，绝对误差在1.05～1.30 K内。因此，本文数值模拟方法是可靠的。

图1 模拟结果与理论计算结果对比

2 结果分析

通过数值模拟计算，从地道出口温度及节约冷量等方面分析不同地道长度下送风速度、送风温度、横截面形状及管道布置对地道降温效果的影响。

地道通风节约冷量的计算公式如下：

Q=c×m×△t

式中，Q为节约冷量，kW；c为空气的比热，J/(kgK)；m为空气质量，kg；△t为地道进出口温差，K。

2.1 送风参数的影响

在管道长度为100 m、200 m和300 m时，不同送风速度条件下地道出口温度和节约冷量的变化规律如图2所示。从图2(a)中可以看出，随着送风速度的变大，地道出口温度稍有升高，即冷却效率降低。地道长度为100 m时送风速度从1 m/s增大到5 m/s，出口温度升高了1.12 K；地道长度为300 m时送风速度从1 m/s增大到5 m/s，出口温度升高了1.91 K，即管道越长，冷却效率降低越明显。随着送风速度增加，送风量增加，尽管冷却效率降低，但总的节约冷量有明显的增加，如图2(b)所示。因此，为了提高地道冷却效率，地道通风设计时在满足供冷量的前提下，尽量降低送风速度。

(a) 出口温度

(b) 节约冷量

在管道长度为100 m、200 m和300 m时，不同送风温度条件下地道出口温度和节约冷量的变化规律如图3所示。从图3可以看出，地道出口温度和节约冷量随着送风温度的增加而增大。地道长度为100 m时送风温度为298 K、303 K和308 K时，地道进出口温差分别为1.59 K、2.71 K和3.81 K，即送风温度越高，地道进出口温差越大，降温效果越明显，对应节约的冷量也越大。因此，对于夏季室外温度高、地层温度较低的地区，更适宜利用地道作为进风冷却方式。

(a) 出口温度

(b) 节约冷量

2.2 横截面形状及管道布置的影响

图4是横截面为圆形(r=1.693 m)、正方形(3 m×3 m)、长方形(4.5 m×2 m)时在不同地道长度下的出口温度和节约的冷量。从图中可以看出，在送风温度、送风速度及地道长度一定的情况下，横截面为长方形时出口温度最低、节约的冷量最大，其次是正方形，圆形截面出口温度最高、节约冷量最少。这是因为在相等的横截面积中，圆形周长最小，地道内空气与地道的接触面减少，换热降温效果较差。因此，在设计施工允许范围内，地道横截面尽量采用长方形，增大长宽比，提高地道通风降温效果。

(a) 出口温度

(b) 节约冷量

由于地道通风系统布置场地的限制，管道布置对地道降温效果会产生一定的影响。图5为单管和双管布置时的出口温度和节约冷量。从图5(a) 中可以看出单管布置的出口温度低于双管出口温度，且随着管道长度的增加单管布置与双管布置的出口温度差也逐渐增加。这是因为管道长度越长，单双管的长度差就越大(单管长度是双管长度的2倍)，从而导致其出口温差也越大。但在相等的管道长度和横截面积条件下，双管布置节约的冷量要比单管布置大(如图5(b) )，这是因为双管布置比单管布置的送风量增加了一倍。

(a) 出口温度

(b) 节约冷量

3 结论

地道通风作为被动节能技术，有着广泛的应用。研究了不同地道长度下送风速度、送风温度、横截面形状及管道布置对地道出口温度、节约冷量的影响，研究结果为地道通风设计提供指导。

(1) 地道冷却效率随送风速度的增加而降低，随送风温度的增加而增大。为了提高地道冷却效率，地道通风设计时在满足供冷量的前提下，尽量降低送风速度；对于夏季室外温度高、地层温度较低的地区，更适宜利用地道作为进风冷却方式。

(2) 横截面为长方形时出口温度最低、节约的冷量最大。在设计施工允许范围内，地道横截面尽量采用长方形，增大长宽比，提高地道通风降温效果。

(3)在相等的管道长度和横截面积条件下，双管布置节约的冷量要比单管布置大，但双管布置比单管布置的送风量增加了1倍。在地道通风系统布置场地受限时，合理选择管道布置，权衡机械送风量和节约的冷量。