基于土壤能的地下埋管新风系统冷却能力研究

石发恩， 高松涛， 朱萌萌， 赵运超， 蒋达华

(江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000)

基于土壤能的地下埋管新风系统冷却能力研究

石发恩， 高松涛， 朱萌萌， 赵运超， 蒋达华

(江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000)

提出一套基于土壤能的地下埋管新风系统，结合赣州地区土壤温度分布特点，建立了土壤-空气换热器冷却终温计算模型，并计算换热器传热系数K值，从理论上分析夏季地下埋管新风系统冷却能力随埋管长度、埋管半径及埋管内空气流速变化的规律，并通过工程应用举例说明该冷却新风系统技术经济可行，在赣州地区具有一定的推广意义.理论分析结果表明:该新风系统的冷却能力随着埋管长度增大而增大，随着埋管半径、埋管内空气流速的增大而减小，且地下埋管半径不宜超过0.4 m，否则不利于空气充分吸收土壤能，单根埋管长度应小于180 m，管长达到180 m时通过增加管长来增加系统冷却效率是不合理的.

地下埋管;土壤能;土壤-空气换热器;新风;空调能耗

0 引 言

随着人民生活水平的提高，对建筑热舒适的要求也相应提升，导致空调能耗居高不下，且其中处理新风的能耗至少要占空调消耗总能耗的20%[1].如何有效利用可再生能源满足空调要求一直是研究热点之一.由于地下一定深度的土壤温度全年基本保持恒温，因此利用埋管周围的土壤能作为冷源对新风进行冷却降温处理可以减少空调新风负荷，达到节约能源的目的[2].

国内外从上世纪90年代开始对该新风系统进行研究，并且在温室、住宅、医院等建筑中得到了应用.Wontug Son等[3]通过工程的实测数据指出，该系统相比传统空调可以大幅度的减少新风负荷，每年至少节约12万日元的运行费用.Mihalakakou等[4]基于大量的实测数据，利用三维藕合传热传质方法，得到预测换热器出口温度计算模型.Jens Pfafferott[5]实验结果显示，当土壤-空气换热器入口空气温度为33.7℃、埋管深处地温17.2℃、测试点管长90 m处，空气温度实测值维持在20.4℃.吴会军等[6-7]对土壤-空气换热系统进行三维动态的数值模拟，得到换热器出口温度随时间的变化关系.目前为止，关于土壤-空气换热器理论研究，主要针对各种传热模型的建立，分析影响换热器性能的埋管长度、埋管直径、管内风速和埋深等因素.但上所述的研究结论过分依赖研究地点气候特点、土壤特性、负荷情况等因素，就赣州地区而言，已有研究成果和结论无法直接用于预测该新风系统应用于赣州地区时的冷却能力，因此不利于地下埋管新风系统在赣州地区应用前景的确定.

鉴于上述研究背景，为预测地下埋管新风系统应用于赣州地区的冷却能力，并给该地区地下埋管新风系统的设计提供一定的参考依据，通过理论分析方法，在一定入口温度，不同埋管半径、埋管内空气流速组合条件下，得到沿管长方向该土壤-空气换热器的冷却能力变化趋势，评价指标包括:出口温度Tout、制冷量q及冷却效率η.并通过工程应用举例进一步说明该冷却新风系统在赣州地区推广技术经济可行.

1 地下埋管新风系统简介

如图1，地下埋管新风系统由进风口、地下埋管及地下空间部分、出风口三部分组成.进风口的下缘距室外地坪不宜小于2 m，当设在绿化地带时，不宜小于1 m，以减少灰尘及污染物的吸入[8].在进风口处安装过滤器，以保证清洁的空气在土壤-空气换热器和地下空间内充分吸收土壤能，出风口则根据地上建筑使用功能的不同进行布置.地下埋管部分是该新风系统中核心的部分，室外新风经过地下埋管时通过管壁与土壤进行换热，系统的性能直接取决于土壤与空气间接换热的效果.

该系统的优势较明显，主要体现在以下几方面:①利用土壤能作为天然冷源，取之不尽用之不竭，运行费用低.②系统形式简便，主体运动部件少，故维修量小.③投资小，需要占用一部分地下空间，更适用于建筑密度低的村镇地区.

图1 地下埋管新风系统原理图

2 理论分析

2.1 系统冷源温度

根据传热学理论，土壤可以被看作是一半无限大介质，其热量传递过程相当于半无限大物体在周期性边界条件作用下的非稳态导热过程[9].在不同深度、不同时刻下的土壤温度场的理论计算模型[10]:

式(1)中:x为土壤地面以下的深度(m);τ为温度的计算时刻(h);t(x，τ)为地面下x米处，τ时刻的土壤温度(℃);α为导温系数，α=λ/pCp;λ为土壤导热系数(W/(m·℃));p为土壤密度(kg/m3);Cp为土壤比热(J/(kg·℃));tm为地表面平均温度(℃);A为地表温度波动的振幅(℃);T为波动周期(h)，T= 365×24=8760 h.

根据赣州地区土壤物性参数[11]，赣州地区年平均温度为21℃，即地面平均温度tm=21℃，地表温度波动的振幅A=±14.1℃，土壤的导温系数约为α=9.16×10-7m2/s，年波动周期T=365×24=8760 h，根据式(1)可利MATLAB软件计算出赣州地区土壤初始温度随时间、深度的变化，计算结果如图2所示.

图2 赣州土壤初始温度随时间、深度的变化

2.2 降温能力分析

土壤-空气换热器换热量计算公式如下:

式(2)中:q为换热量(W);p为空气密度(kg/m3);G为新风风量(m3/h);Cp为空气比热(kJ/(kg·K));Tin、Tout分别为换热器进出口的空气温度(℃).

土壤-空气换热器的冷却效率(η)的定义为:

式(3)中:Ts为换热器周围土壤初始计算温度.

土壤-空气换热器冷却终温计算公式的推导如下，推导过程仅考虑空气与土壤壁面的传热，不考虑埋管内水蒸气及凝结水[12].图3是室外新风流经地下埋管冷却终温计算模型.

如图3所示，埋管长取L(m)，流过的空气量取为G(kg/h)，在埋管长度方向上取一微元长度dx (m)，其所对应的埋管面积为dF(m2)，换热器入口空气温度为Tin(℃)，经过换热器冷却的终点空气温度为Tout(℃)，空气温度在换热器dx处的为tx，空气通过dx的温度变化dtx.地下埋管周围土壤初始计算温度为Ts(℃).土壤-空气换热器换热推导过程仅考虑空气与土壤壁面的传热，整个换热过程遵从热量平衡原理，空气通过dx后的含热量变化数值，应等于埋管壁面dF的热流量，故可建立微分方程即:

图3 室外新风流经地下埋管冷却终温计算模型

式(4)中:Cp为入口新风空气比热，计算时其可近似为定值.K为地下埋管内壁面不稳定传热系数，其计算公式[13-14]如式(5):

式(5)中:h为空气与地道壁面的对流换热系数(W/ (m2·K))，空气与埋管壁面之间的对流换热过程属于管内紊流强迫对流换热过程，管内流动空气的雷诺数Re一般都在104到2×105之间[9].α为土壤导温系数(m2/s)，τ为时间(s).λ为土壤导热系数(W/ (m·K)).β为换热器形状修正系数，其计算公式如式(6):

式(6)中U为地下埋管断面周界长度(m).

值得注意的是，对于不稳定传热过程，这个当量传热壁厚是时间τ的函数，不是一个定值，而是随着时间的变化而改变.预测土壤-空气换热器出口温度时，土壤初始计算温度Ts随系统运行时间持续而变化特性并不影响数学模型的计算，该因素变化的影响藕合在当量传热壁厚δx中，计算分析时已知地下埋管周围土壤初始计算温度Ts即可.

同时对式(4)整理和两边积分，得到:

那么，整理式(5)可以得到经过空气-土壤换热器冷却终点温度Tout的计算公式:

值得注意的是在研究过程中，即在利用式(4)～式(9)计算地下埋管新风系统土壤-空气换热器换热过程时，对上述计算公式进行了以下几点说明:①在计算过程中，忽略了地埋管管壁的导热热阻.②计算模型中各个参数均选取为地下埋管新风系统实际尺寸参数.③计算模型中土壤初始计算温度、当量传热壁厚和土壤的导热系数等物性参数都替代为地下埋管新风系统中土壤-空气换热器周围土壤的初始温度、土壤的当量传热壁厚及赣州地区土壤的物性参数.

2.3 计算条件

该地下埋管新风系统位于赣州市，赣州全年温度一般在7月份日最高、低气温均达到全年最大值，如图4赣州最热月(7月份)温度曲线所示，气象数据来源DeST模拟赣州气象信息结果报表.

图4 赣州最热月(7月份)温度曲线

如表1所示，赣州7月份日平均温度最大为31.6℃，日平均温度最小为25.6℃.那么为了理论分析预测赣州地区地下埋管新风系统冷却能力，选取土壤-空气换热器入口新风温度30℃为换热器冷却终温计算初始条件具有代表性.

表1 赣州最热月7月份日平均温度

地下埋管半径取0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m，埋管总长为200 m，埋管内空气流速为2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s.埋管深度取6 m，由图2可以得到地下深度为6 m时，该深度土壤温度维持在20.5℃左右，故以此温度为该新风系统计算冷源温度.

温度为30℃的空气相关参数:密度1.237 kg/m3，比热1.005 kJ/(kg·K)，运动粘度16.155×10-6m2/s，导热系数0.025 W/(m·K).

赣州地区土壤物性参数:导热系数1.75W/(m·K)，土壤导温系数为9.16×10-7m2/s.

3 计算结果及分析

3.1 土壤－空气换热器传热系数

地下埋管内壁面的不稳定传热系数的大小是评价土壤-空气换热器换热性能重要的因素之一，其数值大小在任何计算时刻为定值.选取埋管半径分别为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m，系统连续运行8 h对其传热系数K值进行计算的结果如图5所示.

图5 系统运行时间传热系数对传热系数的影响

由图5可知，埋管半径不同，随着换热器运行时间的持续，K值变化规律一致，都表现出递减的趋势.任何运行时刻，埋管半径越小，传热系数越大，当r=0.1 m，τ=1 h时，K值为17.7(W/m2·K);当r=0.5 m，τ=1 h时，K值仅为5.4(W/m2·K).相同的计算管径，K值随着换热器运行时间持续衰减的梯度呈现先大后小的规律.因此，为了使土壤-空气换热器一直处于高效的运行模式，设计该冷却新风系统运行模式时，建议系统采用间歇运行的方式，这可以保证运行时传热系数K值处于相对较高范围.

3.2 埋管管径、埋管内空气流速对系统出口温度的影响

地下埋管管径、管内空气流速影响着空气与土壤间的换热量，而且对空气在管内的流态与换热有较大影响，从而影响土壤-空气换热器出口的空气温度的变化.图6分别为固定埋管半径r为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m，管内流速v分别为2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s系统出口温度沿管长增长方向变化趋势计算结果.

图6 管内流速对系统出口温度的影响

分析图6可知，随着管长的增加，换热器出口温度呈现一致的降低趋势;流速相同时，埋管半径越小，相同计算管长换热器出口温度越低;当埋管半径相同时，相同计算管长，管内空气流速增加，换热器出口温度升高，例如计算管长达到200 m时，管径为0.1 m时，不同流速下出口温度变化范围为21.1℃到21.7℃，管径为0.2 m时，不同流速下出口温度变化范围为22.2℃到25.1℃，管径为0.3 m时，不同流速下出口温度变化范围为24.2℃到26.9℃，管径为0.4 m时，不同流速下出口温度变化范围为25.7℃到27.9℃;因此小管径、低流速、相同计算管长，换热器出口温度更低，该系统降温能力更强.

以26℃为室内通风设计计算温度，为了使土壤-空气换热器出口处达到26℃的要求，换热器埋管半径和管内流速组合不同，所需埋管长度不同.由图6(d)可知:当埋管半径0.4 m，管内流速为3m/s时，为了达到出口温度要求，所需埋管长度大于200 m，管内流速为2 m/s时，埋管长度仅为140 m，故大管径、低流速参数组合可减少地下埋管长度;由图6(a)可知:当埋管半径0.1 m，管内流速为5 m/s时，为了达到出口温度要求，所需埋管长度为40 m，当管内流速为2 m/s时，埋管长度仅为15 m，因此小管径、高流速的参数组合同样对减少埋管长度对是有利的;但地下埋管半径不宜大于0.4 m，否则如图6(d)所示，出口温度沿着管长方向变化曲线的斜率较埋管半径为0.1 m、0.2 m、0.3 m时减小，说明空气温度的降低幅度随管长的增加变缓，空气在管内吸收土壤能的能力减弱，为达到出口温度26℃要求，当管内流速为3 m/s时，埋管管长已经超过200 m，因此当埋管半径更大时，则需要更长的埋管管长，增加地下埋管新风系统的造价.

4 工程应用举例

4.1 新风系统设计概况及设计方案

赣州某村镇小型办公建筑，建筑面积300 m2，对办公大厅进行新风系统设计，单位人员最小新风量为30 m3/h，选取新风量900 m3/h即可满足卫生和舒适性要求，新风系统方案拟采用地下埋管新风系统.该新风系统设计地点位于江西省赣州市，根据文献[15]查得赣州市各项室外空气计算参数，可知赣州夏季通风计算温度为33.2℃，故建立的地下埋管新风系统入口空气温度应取33.2℃，且经过计算该新风系统需承担的新风显热冷负荷为2.02 kW.

根据地下埋管新风系统冷却终温计算模型，在入口温度33.2℃基础上采用MATLAB软件计算各埋管管径和管内流速参数组合下系统的出口温度.根据计算结果最终选取埋管半径0.2 m、管内空气流速3 m/s、埋管长度120 m、埋设深度为地下6 m，系统出口温度即可达到设计通风温度要求(26℃).新风系统选用离心式风机，额定风量1200 m3/h，额定功率0.85 kW，全压500 Pa，采用间歇运行模式，运行时间为8:00—16:00.

4.2 新风系统额定制冷量和冷却效率

图7、图8分别为所选地下埋管新风系统设计方案额定制冷量、冷却效率与管长的关系.

图7 管长与制冷量关系

图8 管长与冷却效率关系

由图7可知，地下埋管长为120 m时，系统可以持续提供2.06 kW冷量，满足系统新风负荷要求，且沿着埋管前进方向，埋管内空气吸收土壤能的能力降低，空气与土壤之间换热温差逐渐减小是导致此现象的主要原因.由图8可知，埋管长为120 m时，系统制冷效率值为55.3%，且随着管长的增加，换热器的冷却效率在增加，但增加的幅度呈现逐渐减小的规律，管长180 m处开始换热器冷却效率随管长增加(每20 m)幅度仅为5%，如果此时再通过增加管长来增加系统冷却效率是不合理的，因此建议单根埋管长度不宜超过180 m，管长为180 m时，新风系统冷却效率为70.1%，对于利用土壤能地下埋管新风系统此效率值是可以接受的.

4.3 新风系统经济性评价

实际通风空调工程中，有些工程的初投资低但运行费用高，而有一些工程初投资高但运行费用较低，故假如只从工程初投资或者运行费用进行分析，是不能直观反映出系统经济性优劣势的.因此评价地下埋管新风系统的经济性时采用静态投资回收期计算法，即同时考虑到系统初投资和运行费用因素计算出投资回收期，该评价方法经济意义明确且直观反映系统投资价值.静态投资回收期计算方法如下.

式(10)中:ΔK为拟建系统增加的初投资(元)，Ke为拟建新风系统的初投资 (元)，Kc为常规空调系统的初投资(元).

式(11)中:ΔR为拟建系统运行节省费用(元)，Re为拟建系统的年运行费用 (元)，Rc为常规空调系统的年运行总费用(元).

式(12)中:Pt为静态投资回收期(年).

下面由式(10)、(11)、(12)对该拟建地下埋管新风系统计算投资回收期.根据新风系统设计方案及江西省赣州市供电局的提供的商业用户电价为1.2元/kWh，经计算得到:拟建地下埋管新风系统总初投资为11500元、夏季运行费用为979元，拟建系统增加的初投资为1900元，拟建系统运行节省费用为771.5元，静态投资回收期为2.46年.由此可得，利用可再生天然冷源的地下埋管新风系统投资回收期较短，与传统新风机组能耗相比节省了冷源部分电耗，运行费用经济，在技术和经济角度都具有实际推广意义.

5 结 论

1)赣州地区地下土壤深度超过5 m时，土壤温度基本稳定在20.5℃，在该冷源温度下，系统对新风的冷却能力明显.

2)雷诺数Re在紊流范围内时，传热系数K随着系统的运行时间持续或埋管半径的增加呈现递减趋势.系统采用间歇运行模式有利于传热系数K处于较高的范围内，以此保证土壤-空气换热器冷却能力.

3)相同地下埋管管长，小管径、低流速可以使得换热器出口温度更低，该系统降温能力更强.为了使换热器出口温度达到规定要求，同时为了满足新风量要求，大管径、低流速参数组合或者小管径、高流速的参数组合可减少埋管埋设长度，但埋管半径应控制在0.4 m范围以内，否则不利于空气在埋管内充分吸收土壤能，导致管长过大，增加新风系统初投资.

4)工程应用举例表明，该新风系统可以持续提供冷量，沿着埋管前进方向，埋管内空气吸收土壤能的能力降低，冷却效率随着埋管管长的增加而增加，系统静态投资回收期短、运行费用经济，利用可再生天然冷源的地下埋管新风系统具有实际推广意义.

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Study on cooling capacity of buried pipes in fresh air system based on soil energy

SHI Faen，GAO Songtao，ZHU Mengmeng，ZHAO Yunchao，JIANG Dahua
(School of Architectural and Surveying Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The paper puts forward a set of fresh air system for buried pipes based on the soil energy. Combining with the characteristics of soil temperature distribution in Ganzhou，it builds cooling end temperature calculation model of earth-to-air heat exchanger，and calculates the heat transfer coefficient K value.The changing regularity of their cooling capacity in fresh air system are theoretically analyzed in terms of their length，radius and tube air velocity.The engineering applications show that such system is feasible technically and economically and has a promoting significance in Ganzhou.The theoretical results showed that the cooling capacity of the fresh air system increases with buried pipes’length，decreases with the increasing of their radius and tube air velocity，and their radius should not be more than 0.4 m，instead it would be bad for the air to absorb the soil energy.The length of buried single ones should be less than 180 m，and it is not reasonable by increasing their length to improve the cooling efficiency of the system when the pipe length reached 180 m.

buried pipes;soil energy;earth-to-air heat exchanger;fresh air;air-conditioning energy consumption

2095-3046(2015)01-0057-07

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.010

TK521

A

2014-07-28

江西省教育厅科学技术研究项目(20132BBG70024);江西省教育厅基金项目(2014GJJ14463)

石发恩(1976- )，男，副教授，主要从事能源应用与节约、大气污染控制等方面的研究，E-mail:gaosongtaolucky@163.com.