地道风系统的研究现状及进展

张静红谭洪卫王亮

同济大学机械与能源工程学院

0 引言

2010年，我国的建筑能耗（不含生物质能）占社会总能耗的20.9%。近年来虽然建筑能耗占社会总能耗的比率略有下降，但是随着建筑面积的不断扩大，生活水平的不断提高，总建筑能耗仍不断上升。其中空调采暖能耗占55%，是建筑能耗的主要部分。改变高能耗的生活方式，最大限度地减少能源消耗，减少有害物质的排放，以及充分利用可再生能源成为采暖空调领域发展的新要求。为实现节能减排的目标，将太阳能、地热能等多种可再生能源应用到建筑中已成为通风空调领域的主要发展趋势。其中地热能是可再生能源中能与建筑较好结合的一种能源形式，已受到世界各国的广泛关注。

作为可再生能源利用的一种简单形式——地道风系统，早在公元3000年，雅典建筑师便将它结合风塔来为建筑供冷[1～2]。如今，由于结构简单、能效高等优点，地道风系统被广泛应用到建筑通风空调领域中，用于减少日益攀高的建筑能耗。本文主要对国内外地道风系统的研究现状进行综述。

1 地道风系统介绍

地道风系统（Earth to Air Heat Exchanger System，EAHES）是指利用蓄存在土壤中的地热能（地下2.5～3m以下的土壤温度保持恒定[3]）冷却或加热室外空气（或室内回风），并由机械送风或诱导式通风将处理后的空气送入室内，以改善室内热环境。它相当于一台土壤-空气热交换器，利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用来降低建筑物的空调采暖负荷。

地道风系统由三部分组成：1）进风口部分；2）地埋管换热部分；3）出风口部分。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，即土壤-空气换热器，是地道风系统的重要换热部件，用于承担建筑负荷。出风口部分根据建筑形式的不同，因地制宜。

图1 地道风系统

目前，国内外对地道风系统的研究主要集中于换热特性、系统性能和复合式技术三个方面。本文首先总结概括了地道风系统换热特性的研究进展，然后归纳汇总了地道风系统性能影响因素的研究成果，最后介绍了四种与地道风系统相结合的复合式技术。

2 地道风系统换热特性研究

地道风系统的核心部件是土壤-空气换热器（Earth to Air Heat Exchanger，EAHE），其换热效果直接影响到系统的整体性能。因此，对地道风系统传热特性研究就是对土壤-空气换热器传热机理的研究。下面依据所采用研究方法的不同，综述国内外对土壤-空气换热器机理的研究进展。

2.1 实测方法

实测方法是研究地道风系统传热机理最直接、最准确的手段。

Mihalakakou[4]基于已有的大量地道风系统的实测数据，利用回归分析法和单一变量法，建立地道长度、直径、风速和埋深的因数关系式，便于实际工程设计。印度学者Thanu等[5]利用实测数据得到了地道风系统在冬季、夏季和雨季的性能系数，同时证明了地道出口温度与进口温度是线性相关的，并给出了线性关系式。

2.2 解析方法

为了简化土壤-空气换热器模型，很多学者[6～8]假定沿管道长度方向的土壤温度保持不变，提出了如下的计算公式：

式中：Tout为地道出口空气温度，℃；Tin为地道进口空气温度，℃；Tsp为地道壁面温度，℃；NTU（L）为传热单元数，无量纲参数；ha为空气与地道壁面对流换热系数，W/m2K；D为地道当量直径，mm；L为地道长度，m。部分学者近似认为土壤温度为常数，另有部分学者使用半无限大物体模型，综合考虑太阳辐射和室外气温的影响，得出土壤温度变化的计算式。

张锡虎[9]引入“热传递厚度”概念，用较为稳定的土壤温度代替壁面温度。“热传递厚度”计算式采用ENISO 13786标准的渗透厚度。

式中：a为热扩散率，m2/s；τ为时间，s。

意大利学者Ascione[10]结合“热传递厚度”概念和“热阻”理论，土壤温度采用式（3），求解地道出口温度。

式中：Tout为地道出口空气温度，℃；Tin为地道进口空气温度，℃；Tsoil为未受干扰土壤温度，℃；U为地道周长，m；L为地道长度，m。

2.3 数值方法

利用数值方法求解土壤与空气的传热过程主要关注建模过程中边界条件的设定及模型简化的条件，因为这是影响数值计算准确性的关键。

Bojic[11]在不考虑管道间换热的相互影响下，提出了地道埋深方向上的一维离散方程，将土壤分割成多层，层内热传导采用稳态计算方式，层间传热利用热平衡关系式，以此来建立土壤与空气的耦合传热模型。Kumar[12]综合考虑地道凝结水、土壤含水率和太阳辐射影响，利用有限差分法（FDM），建立了瞬态隐性的数学模型，经实验验证其不同地道长度的温度误差小于1.6%。Badescu等[13]考虑沿地道长度方向土壤温度的变化，将其等分为22个分层，层间空气传热为稳态过程，采用控制容积法（CVM）建立土壤-空气传热偏微分方程，并用PDETWO器求解。吴会君等以土壤导热方程和湍流模型为基础，采用温度场叠加法对土壤-空气换热进行了三维动态数值模拟，计算了埋管出口温度随时间的动态变化[14]。

3 地道风系统性能研究

由于土壤与空气的换热是一个十分复杂的非稳态耦合传热过程，一方面，地道结构、土壤特性、地面气象参数影响着换热器的传热效果；另一方面，换热器的传热过程又与建筑负荷互相影响。因此，下面主要总结影响地道风系统换热性能的四个方面，包括地道参数、地道结构、土壤特性、通风时间。

3.1 地道参数

地道参数包括埋深、长度、直径、地道材料和风速。国内学者[14～15]利用实测验证过的三维土壤-空气传热传质数值模型模拟分析了长度、埋深、风速等参数对系统换热效果的影响，得到如下结论：1）埋深越深，地道换热效果越强，综合考虑经济因素和换热效果，地道埋深取3～4m为宜；2）地道换热效果随着地道长度线性递增；3）管径的减小，地道出口的空气温度降低；4）地道较短时风速不宜过高，地道较长时可适当提高风速。地道材料需具备耐腐蚀、热阻小、成本低和易安装等特点。目前常采用的管材有混凝土结构、塑料管和金属管。印度学者Bansal[16]进行了钢管和PVC管对比实验研究，结果表明地道材料对换热效果的影响不大。

3.2 地道结构

地道结构即指地道的埋管方式。地道常采用水平布置方式，形式多样，可分为单管式/多管式、串联式/并联式、开式/闭式。

当单根地道所提供的冷量无法满足建筑负荷需求时，则考虑多管道形式。多管道地道结构的埋管方式可分为串联或并联式两种，如图2所示，串联式最大的地道长度是并联式的3倍。Chel和Ghosal在地道风系统研究中采用的是串联埋管，而Bojic和Pfafferott采用的则是并联式[7,11,17～18]。目前，对于两种地道结构形式对于系统阻力的影响分析还很少见。

图2 并联式/串联式

上述多管式换热模型均未考虑管道间换热的相互影响。为解决该问题，Thiers和Peupotier[19]采用有限容积法分析同等埋深的水平地埋管间的相互影响。对于每根地道划分为两层同心圆柱网格（包括空气网格和地道网格），同时受影响土壤层为另一层网格。宋凌等基于三维非稳态传热模型和一维流体传热模型得到数序模型，建立了采用修正温度作为修正系数的多管地道降温简化算法，可用于实际工程设计[20]。

地道风系统可根据通风形式分为开式系统和闭式系统两种。开式系统即指地道进风采用室外新风，室内热环境直接受室外气象影响。对于高湿度地区，地道出风的湿度相对较大，需要配置除湿装置。闭式系统即指地道进风采用室内回风，与建筑负荷联系紧密。

3.3 土壤特性

含水率是土壤特性的重要参数，直接作用于土壤导热系数，从而影响地道风系统换热效果。

Mihalakakou分析了含水率对地道风系统性能的而影响，发现随着含水率降低，土壤导热系数下降[21]。而对于不同的土壤含水率，地道出口温度的最大差值仅为0.36℃，因而认为可忽略含水率的影响。而2011年广州大学学者周晓慧通过实验数据得到土壤含水率对导热系数有很大影响，其中土壤含水率25%时的导热系数是含水率2%的4.14倍[22]。利用FLUENT软件建立了土壤-空气换热系统的耦合传热模型。模拟结果表明随土壤含水率的增加，地道空气的温降逐渐增大，换热效果显著，在土壤含水率为10%～20%区间温降比较明显，最大温降可达6.44℃。土壤含水率超过20%，温降有增加的趋势，但是幅度不大。这是由于所选取的土壤含水率区间不同所引起的。

3.4 通风时间

通风时间与建筑实际运行负荷和地道风系统的运行特性密切相关，进而影响整个系统的性能。

刘泽华建立了地道风降温系统的优化设计数学模型，并结合建筑热过程的动态模拟，编制了用地道风通风时室内热环境的预测软件，用于指导实际系统的起用、停用日期，运行区间以及运行时数等[23]。Tiwari等[24]忽略空气流动对周围土壤的影响，基于稳态传热分析，建立了地道风技术与温室的耦合传热模型。同时，他们利用该模型优化地道风系统的运行时间以获得最大的采暖/制冷能力。南京理工学者桂玲玲利用FLUENT软件建立了地道风系统的传热数值模型，对比了6h、12h、18h和24h四种不同通风时间下的地道风系统性能[25]。模拟结果表明随着通风时间的增加，地道的冷却（升温）能力下降。

4 复合式地道风系统

由于埋管面积、土质条件等降低了系统整体的制冷/供冷能力，同时存在室内空气品质不佳等问题，限制了地道风的实际应用范围。因此，国内外有很多学者在探索地道风与其他系统相结合的应用方式。

4.1 地道风结合空气源热泵系统

空气源热泵系统在寒冷地区由于室外温度较低，易出现结霜现象，致使频繁开启除霜工况，系统整体制热性能系数（COP）大大下降。因此，山东建筑大学的一批学者[26～27]提出将地道风用作空气源热泵的低位热源。

一方面，在冬季，室外空气流经地道被加热后，其温度升高，相对湿度减小。基于地道风的空气源热泵在冬季运行时没有结霜的问题，机组可以稳定可靠地运行，这样就节省了传统空气源热泵的除霜能耗。

另一方面，通过实验研究证明，基于地道风的空气源热泵系统的制热量、制热性能系数COP和普通空气源热泵相比都有显著的提高；而且室外空气越低，增幅约明显，即使在环境温度为-8℃时，基于地道风的空气源热泵系统制热性能系数仍为3.0，高于普通的空气源热泵系统，大大改善了在寒冷季节恶劣的运行情况。尤其在温度极低的情况下，该系统的应用优势更加显著。同时省去了热泵系统的辅助加热设备，简化了空调系统。

4.2 地道风结合蒸发冷却系统

在炎热干燥地区，单一的地道风系统不足以满足制冷季节室内舒适度的要求。如果通过加深埋深或扩大埋管面积的方式来提高地道风系统的制冷量，将会是极不经济的。印度学者Bansal[28]提出在地道风系统末端增加蒸发冷却装置进一步冷却提供舒适的室内环境，系统示意图如图3所示，蒸发冷却器原理图如图4所示。

就全年运行情况来看，使用单独的地道风系统提供热舒适性环境（ASHRAE 55）时间占全年的23.33%，而地道风结合蒸发冷却系统时间占全年的34.16%。由于当地居民对热舒适性的要求并不高，因此，地道风结合蒸发冷却系统基本可满足当地全年的通风降温要求。同时，地道风结合蒸发冷却系统比单独的地道风系统全年的制冷量高3109MJ。因此，在炎热干燥地区，地道风结合蒸发冷却系统更显优势。

图3 地道风结合蒸发冷却系统

图4 蒸发冷却示意图

4.3 地道风结合太阳能烟囱系统

伊朗学者M.Maerefat[29]提出将地道风与太阳能烟囱这两种被动式系统相结合应用到建筑通风降温中，系统示意图如图5所示。

图5 地道风结合太阳能烟囱系统

由于太阳烟囱效应，使得热空气不断上浮，室内新风不断通过地道补入，省去了传统地道风系统的驱动装置——风机，可谓是真正的被动式系统。通过建立太阳能烟囱和地道风的耦合模型，并经过实测数据验证，来分析该系统的性能。地道模型基于稳态计算，其物理模型如图6所示，以“总热阻”概念分析土壤-空气的换热过程。结果表明太阳能烟囱越高，室内的热舒适性就越差，因此可通过增加地埋管的数量提供冷却能力来增强室内的热舒适性；当地埋管的管径为500mm，管道长度大于20m时，地道风系统冷却能力最佳。

图6 地道物理模型

4.4 地道风结合光伏发电系统

除了采用被动式太阳能烟囱系统来减少风机电耗的方式外，土耳其学者Ylidiz[30]将光伏发电系统与闭式地道风系统相结合，由光伏发电系统承担部分风机的电耗，系统示意图如图7所示。

图7 地道风结合光伏发电系统示意图

利用光伏发电技术给地道风动力风机供电，可大大减少高峰时系统的耗电量。根据实测结果可知，地道风系统的日平均制冷量为5.02kW，而系统的耗电量为8.1kWh，其中34.55%的电量由光伏系统供应，其余的则有电网供应。

5 总结

1）作为传统能源的替代形式，地道风系统在建筑通风空调领域具有很好的应用前景，不仅降低能源消耗还减少温室气体的排放。

2）由于利用土壤热能，需要占用到土地资源，因此，地道风系统只适用于低密度建筑。

3）从国内外对地道风系统土壤-空气的换热机理研究来看，对于不同的计算模型，给定合适的假设条件，都与实测值吻合得较好，可作为计算的依据。但是目前大部分的地道风换热模型都是针对特定的地道结构，因此在通用性和推广性上都略显不足。

4）实际工程中埋管方式（串联/并联）和通风方式（开式/闭式）形式多样，关于该方面的对比研究还很少见。

5）结合实际建筑负荷需求，优化地道风系统的运行控制策略，包括起停用时间、运行时数等，是有效提高系统性能的手段。

6）复合式地道风系统能很好解决单一地道风系统中存在的问题，包括空气品质不高或冷热量不足，将是地道风系统发展的趋势。

[1]Goswami DY.Performance analysis of a closed loop climate control system using underground air tunnel[J].Journal of Solar Energy Engineering,1990,112:76-81

[2]Scott N R,Kochler T A.Analysis and performace of an earth-air heat exchanger[J].ASAE Paper,1965:65-840

[3]Kusuda T.Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in United States[J].ASHRAE Transactions,1965:71

[4]G Mihalakakou.On the application of the energy balance equation to predict ground temperature profiles[J].Solar Energy,1997,60(3-4):181-190.

[5]N M Thanu.An experimental study of the thermal performance of an earth-air-pipe system in single pass mode[J].Solar Energy,2001,71(6):353-364

[6]M De Paepe,A Janssens.Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers[J].Energy and Buildings,2003,35(4):389-397

[7]A Chel,G N Tiwari.Performance evaluation and life cycle cost analysis of earth to air heat exchanger integrated with adobe build-ing for New Delhi composite climate[J].Energy and Buildings,2009,41(1):56-66

[8]M K Ghosal,G N Tiwari.Modeling and parametric studies for thermal performance of an earth to air heat exchanger integrated with a greenhouse[J].Energy Conversion and Management,2006,47(13-14):1779-1798

[9]张锡虎.地道风降温的热工计算[J].暖通空调,1981(1):5-10

[10]F Ascione,L Bellia,F Minichiello.Earth-to-air heat exchangers for Italian climates[J].Renewable Energy,2011,36(8):2177-2188

[11]M Bojic.Numerical simulation,technical and economic evaluation of air-to-earth heat exchanger coupled to a building[J].Energy,1997,22(12):1151-1158

[12]R Kumar,S Ramesh,S C Kaushik.Performance evaluation and energy conservation potential of earth-air-tunnel system coupled with non-air-conditioned building[J].Building and Environment,2003,38(6):807-813

[13]V Badescu.Economic aspects of using ground thermal energy for passive house heating[J].Renewable Energy,2007,32(6):895-903

[14]吴会君,朱东生，张立志,等.土壤-空气换热系统流动与供冷性能的计算模拟[J].太阳能学报,2006,27(1):78-82

[15]夏春海,周翔.地道通风系统的数值模拟与分析[J].太阳能学报,2006,(9):923-928

[16]V Bansal.Performance analysis of earth-pipe-air heat exchanger for summer cooling[J].Energy and Buildings,2010,42(5):645-648

[17]M K Ghosal.Modeling and comparative thermal performance of ground air collector and earth air heat exchanger for heating of greenhouse[J].Energy and Buildings,2005,37(6):613-621

[18]J Pfafferott.Evaluation of earth-to-air heat exchangers with a standardised method to calculate energy efficiency[J].Energy and Buildings,2003,35(10):971-983

[19]S Thiers,B Peuportier.Thermal and environmental assessment of a passive building equipped with an earth-to-air heat exchanger in France[J].Solar Energy,2008,82(9):820-831

[20]宋凌,朱颖心.多管地道降温的模拟研究[J].暖通空调,2009,39(9):66-69

[21]G Mihalakakou.Parametric Prediction of the Buried Pipes Cooling Potential for Passive Cooling Applications[J].Solar Energy,1995,55(3):163-173

[22]周晓慧.地道通风系统的传热传质及降温效果分析[D].广州:广州大学,2011

[23]刘泽华.地道风通风降温的优化设计及运行效果预测[J].建筑热能通风空调,2001,20(2):44-45

[24]G N Tiwari.Annual thermal performance of greenhouse with an earth-air heat exchanger:An experimental validation[J].Renewa-ble Energy,2006.31(15):2432-2446

[25]桂玲玲,张少凡.地道风在建筑通风空调中的利用研究[J].广州大学学报,2010,(5):52-55

[26]李永安,戎卫国,牟灵泉.基于地道风的空气源热泵性能研究[J].低温建筑技术,2003,(1):56-57

[27]高亚南,李永安.基于地道风的空气源热泵系统研究及应用[J].建筑科学,2010,(10):281-284

[28]V Bansal.Performance analysis of integrated earth-air-tunnel-eva-porative cooling system in hot and dry climate[J].Energy and Buildings,2012,47:525-532

[29]M Maerefat,A P Haghighi.Passive cooling of buildings by using integrated earth to air heat exchanger and solar chimney[J].Renewable Energy,2010,35(10):2316-2324

[30]A Ylidiz,O Ozgener,L Ozgener.Energetic performance analysis of a solar photovoltaic cell(PV)assisted closed loop earth-to-air heat exchanger for solar greenhouse cooling:An experimental study for low energy architecture in Aegean Region[J].Renewab-le Energy,2012,44:281-287