土壤蓄能技术在工程中的应用

鲁晓州

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引 言

自1991年起，我国平均每年完成的建筑面积均在10 亿m2以上，这些建筑绝大多数在使用空调。目前，我国建筑能耗已占到全国能源消耗总量的30 %，而在建筑能耗中，空调能耗占到近60 %。寻求新的环保节能型空调方式已经迫在眉睫，刻不容缓。党中央国务院对此问题十分重视，指出必须下大气力抓好节约能源的工作，这事关现代化建设进程和国家安全。2006年建设部颁发国标《绿色建筑评价标准》，进一步规范了节能要求。2021年更是提出碳达峰、碳中和的战略目标，对节能减排有了更高的要求。

1 土壤蓄能技术

土壤有巨大的蓄冷蓄热能力，是天然环保可再生能源，如何利用这一能源，国内外一直在研究。

土壤蓄能技术，又称地道通风降温，是近几十年来发展起来的1门新技术，指利用地道冷却空气，然后通过机械送风或诱导式通风系统送至地面上的建筑物，达到降温目的的1种专门技术。土壤蓄能技术的系统由3部分组成：①进风口部：应设过滤器并使进风口安装高度在距地2 m以上，保证取风清洁；②地下埋管，即土壤空气换热器，是土壤换热的重要部分，室外新风通过埋管和土壤进行能量交换；③出风口部，把冷却的清洁空气送到室内，满足人员环境要求。土壤空气换热示意图见图1。

图1 土壤空气换热示意图Fig.1 Schematic diagram of air heat transfer in soil

2 土壤蓄能地道风降温技术的数值模拟分析

地道风系统传热过程是通过空气与地下埋管及周边土壤之间的热交换实现的，并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响。清华大学开发的“逐时气象生成系统，建立了地道准三维传热模型，通过对模拟计算结果进行分析，得出各种因素是如何对地道降温造成影响。其结果可用于指导工程设计。该模型由模拟地道降温过程的二维非稳态土壤传热模型和一维流体传热模型组成。

2.1 地道长度的影响

地道长度是地道风降温系统设计中的重要参数，文中分别模拟了地道长度为50 m、100 m、200 m和300 m的工况。地道中心埋深为3.5 m，地道内风速保持3 m/s。随着地道长度的增加，土壤对通过地道空气的冷却作用增强，地道平均出风温度降低，见图2；若采用地道风系统作为建筑物的冷源，室内空调设定温度按26 ℃计算，地道风所能提供的冷量，见图3。

图2 地道长度对地道出风温度的影响Fig.2 Effect of tunnel length on outlet air temperature

图3 地道长度对地道风提供冷量的影响Fig.3 Effect of tunnel length on cooling capacity from tunnel wind

地道越长，系统提供冷量的能力越稳定，反之地道越短，系统冷却能力随着室外温度变化的幅度就越大。当室外温度较高时，短地道此时由于出风温度升高的幅度较大，所能提供的冷量较少，地道风降温系统的冷却效果较差。

2.2 地道埋深的影响

地道埋深是地道风降温系统设计中另一个需要考虑的重要参数，在其他参数保持不变的情况下，模拟不同地道埋深对地道出风温度的影响，地道中心埋深分别为1.5 m，2.5 m，3.5 m和5.5 m，地道长度为200 m。实验显示随着地道深度的增加，由于地层温度波动幅度减小，夏季深层土壤温度较低，地道出口风温随之下降，系统的冷却能力上升。但工程上也不是埋管越深越好。因为：①超过4 m后埋管深度对出风温度的影响变化减小；②埋管过深会增加工程造价。所以在工程设计时埋深一般不超过4 m。

2.3 地道内风速的影响

地道风速直接影响着2个重要参数：地道降温系统壁面的对流换热系数和地道风的风机选型所必需的设计风量。

由于地道风系统提供的冷量Q=CG△T.即与送风温差△T和系统风量G成正比。当地道内风速较低时，土壤和空气能量交换时间充分，地道风进出口温差大。但风速低同时导致质量流量G较小，引起冷量Q值较小；当地道内的风速增加，Q值也增加，但是当地道内风速继续增加，土壤和和空气进行能量交换时间缩短，交换效率降低，Q减小。所以必然存在一个最优风速，平衡了风量和能量交换时间的关系，地道风在该风速下提供的冷量最大。同时地道长度越长，地道风停留的时间相对越多，此时风速可以适当提高，以便获得更多的冷量和风量。

2.4 多根埋管管间距对地道降温能力的影响

由于不同地道之间温度场相互影响，采用多根平行埋管土壤的温度分布和单管敷设时呈现不同的特点。将单根地道和两根地道间距1 m、3 m工况，地道200 m长，地道内风速为3 m/s做对比。由图可见，2管运行时出口风温高于单管运行时0.5～1 ℃。出口风温的升高导致地道提供冷量能力的下降。经计算，单管运行时，地道大约能提供9.2 kW冷量；间距3 m的双管运行时，每根地道只能提供7.9 kW；间距1 m运行时，甚至只能提供5.7 kW的冷量。在多根埋管地道设计中，由于不同地道之间温度场相互影响，地道提供总冷量会有衰减，并不是单管冷量的简单叠加，这点设计时一定要注意，见图4～7。

图4 单管土壤横截面温度场分布Fig.4 Temperature distribution of soil cross section with single tube

图5 管间距对地道降温能力的影响Fig.5 Effect of pipe spacing on cooling capacity

图6 土壤横截面温度场分布(双管间距1 m)Fig.6 Temperature distribution of soil cross section(distance between two pipes 1m)

图7 土壤横截面温度场分布(双管间距3 m)Fig.7 Temperature distribution of soil cross section(distance between two pipes 3m)

地道风降温系统在商用建筑中应用时，系统只在建筑物使用时段内运行，即采用日间歇的运行方式。间歇运行时，地道出风温度比连续运行时约低1 ℃。这是由于间歇运行相当于减少了地道总运行时间，使地道附近土壤温度不致增加的过快的缘故。

3 地道风降温的若干工程实际问题

地道风的降温效果跟地层的原始温度关系密切，全国各地地温相差较大，这使得各地做地道风降温要根据气象资料不同特点，因地制宜，做不同的技术处理。

由于地道风受外界因素影响较大，不可能像人工冷源那样，获得较低的出风温度，这时就应更加关注和人体舒适感觉相关的其它空气参数，如空气流速，相对湿度及室内外空气温差。如果控制好了这些参数，再加上良好的气流组织，即使出风温度稍高一点，也可获得满意的降温效果，这也是现代空调回归自然的一种方式吧，不像以往的人工制冷传统空调，片面依赖温度来达到降温效果，而忽略了其它一些重要因素。

利用地道通风降温的建筑，其围护结构应有良好的热工特性，有可供埋管的场地，所以一般博物馆、影剧院比较合适。并且为增加换热效果，室内一般配有自然、机械、生态通风方式。

由于热空气与地道进行热交换时，地道壁体会有热量积存，影响换热。因此，间歇运行，可以使地道有一个蓄能恢复过程，有利于提高降温效果。

地道长期不用，空气肯定不如室外空气新鲜，送入室内会造成室内空气污染，如何避免这一问题呢？设计时，可以设置一个排气吹扫管口，送风前先对管道进行吹扫。这样，室内空气便不再有霉味，可创造一个舒适的空调环境。

所以，我们在进行地道降温设计时，首先要分析当地气象条件和地质资料，确保温度能降下来，并且地道不受污染。另外地道设适当坡度，及时排除凝水以保正地道内清洁。地道管经选择1.5 m左右，这样可以对其进行必要的人工清扫，清毒等处理，加强管理，保证地道风的清洁舒适。

地道风降温工程一般要求低，无需作复杂计算，计算时按室外通风计算温度进行计算即可。大空间的送风方式宜采用地面或下送风方式，这样只保证人员活动的2 m以内范围有良好的降温效果，可大大节省能量。

关于风机的设置位置，一般浅地下室布置通风机房，这样维护方便，噪音小，不占用地面有效面积，有利于蓄能降温。

地道风系统与传统空调设计不同，工程设计时有些地方要特别注意：

首先运用地道降温工程的建筑其围护结构必须有良好的热工特性，以便降低负荷，这在设计之初就必须和建筑师沟通好，并协助建筑师作围护结构的热工分析，确定合理的保温材料，这一点在传统空调设计往往被忽略。

在地道的设计上，还要注意及时排水，否则地道风会有霉味，再者设置吹扫口，间歇运行前先对地道进行吹扫，以保证室内新鲜空气的供给。

地道风天然环保可再生，零排放。土壤蓄能地道风降温技术温因其投资低，耗能低，低碳环保，在当今国家碳达峰，碳中和的战略目标下，必将越来越受到人们的重视，在更多的工程中得到应用，在空调能源结构调整节能减排中做出自己的贡献。

4 结 语

(1)埋管长度增加，能量交换时间充分，系统换热效率提高；

(2)半径在一定值内增加，风量增加，换热量增加，但到达一个临界值后，由于管心空气距离土壤层距离增大，换热效率降低导致换热量下降；

(3)埋管深度4 m以内，越深由于土壤与地面温差越大，所以换热效果越强，但超过4 m温度场逐步趋于稳定，埋深对换热影响减小，且造价增加，故管道埋深不宜超过4米；

(4)管间距的增加会加强换热效果；

(5)设计时要考虑土壤冬季放热与夏季吸热的热平衡问题，否则交换效率降低。