太阳能烟囱-地埋管耦合系统连续自然通风可靠性实验研究

郑迪萌，龙天河，叶 恺，卢 军，李永财

(重庆大学 土木工程学院，重庆 400045)

随着经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，建筑能耗在社会总能耗中所占的比重逐渐升高.据统计，建筑部门能耗占全球总能耗的30%，其二氧化碳排放量占28%[1]，截止2018年，我国建筑能耗占全国总能耗的21.7%，且呈上升趋势[2].在建筑能耗中，用于暖通空调系统的能耗占比高达60%[3]，其中通风系统能耗占比20%～30%[4].而目前所用能源大多是以化石燃料为代表的不可再生能源.因此，降低建筑中暖通空调系统能耗、利用可再生能源代替部分常规能源，是当前节能减排背景下的必然要求.

土壤-空气换热器(earth-to-air heat exchanger，EAHE)也称作地道风系统，其以空气为换热介质，利用深层土壤的热惯性，使空气在地埋管内与土壤换热，在夏季对空气进行预冷，冬季进行预热，从而减小房间冷热负荷，降低能耗[6-7].太阳能烟囱(solar chimney，SC)是利用热压驱动空气流动的装置，其吸收太阳辐射，将热能转换为动能，为空气流动提供动力[8-10].如果土壤-空气换热器与太阳能烟囱合理结合，形成SC-EAHE被动耦合系统.太阳能烟囱提供的浮升力取代风机驱动室外空气进入地埋管，在管内与土壤进行换热，之后由地埋管出口进入房间，将室内余热和污染物带出室外.M.Maerefat 与 A.P.Haghighi[11]通过理论分析指出 SC 可以为 EAHE运行提供足够的热压动力，SC和EAHE合理配合使用，即使在太阳辐射强度100 W/m2和空气温度高达50 ℃的不利气候下仍能营造比较舒适的室内热环境.Y.Yu 与 H.Li 等[12-13]通过实测表明在 SC+EAHE联合运行下，室内热环境适宜.Serageldin等人[14-15]设计和数值研究了SC+EAHE系统，并观察到室内空气温度在夏季比室外空气温度低约9 ℃.Li Y[16]等人对SC-EAHE耦合系统进行了日周期内的连续测试，实验结果表明，通过太阳能烟囱和建筑围护结构的合理配合，可使该耦合系统在夏季实现24 h连续自然通风，且通风效果良好.然而，上述文献缺乏对耦合系统多日连续运行的研究.作为全被动式系统，SC-EAHE系统性能取决于当地的土壤蓄放热能力和天气状况，其中，太阳辐射强度对耦合系统运行性能有较大影响[17-18].为了研究夏季连续自然通风时，不同天气条件下耦合系统的可靠性，以及该系统对室内热环境的影响，本文利用现有全尺寸SC-EAHE耦合系统实验台，对系统相关性能参数进行了为期一周的连续测试，探究在室外气象条件变化的情况下耦合系统多日连续运行自然通风稳定性、土壤温度的变化及恢复情况以及耦合系统对室内热环境的影响.

1 实验平台及测试内容

1.1 实验平台介绍

本文搭建的全尺寸实验平台位于安徽省铜陵市枞阳县，铜陵位于安徽省中南部，介于北纬30°45′～31°09′、东经117°35′～118°09′之间，属于典型的夏热冬冷地区.该实验平台工作示意图如图1所示，主要包含被测试房间、土壤-空气换热器(地埋管)和太阳能烟囱.被测试房间分为实验房间和对比房间，两个房间的尺寸均为3 m×3 m×3 m(长×宽×高)，为西南朝向.对比房间不安装任何温度调控设备，实验房间与地埋管出口和太阳能集热器入口相连.房间围护结构热工参数如表1所示.

图1 实验台工作示意图

地埋管为PVC管[19]，管径为0.3 m[20]，由倾斜入口段、水平工作段和垂直出口段组成，倾斜入口段与水平面成45°倾角，以减少入口段局部压力损失；垂直设置的出口段可以使空气沿管径方向流动更均匀，同时，由于靠近地表的土壤受室外天气影响较大，将地埋管出口段用聚苯乙烯保温材料包裹，尽量减小垂直出口段土壤与管内空气的热交换.研究表明，土壤温度在地下2.5～3 m基本稳定[21]，故将30 m长的水平管段布置于地下3 m.空气由倾斜入口段进入地埋管，经由水平工作段与土壤换热，再由垂直出口段进入房间.太阳能烟囱由太阳能集热器和垂直烟囱两部分构成.其中，太阳能集热器尺寸为7 m×1.5 m×0.3 m(长×宽×高)，为提高其对太阳能的吸收能力，将其按与水平面成30°倾角设置在屋顶上，通过0.9 m×0.3 m的孔与实验房间相连，其集热板用高吸收率的吸热漆进行喷涂以提高其吸热能力，四个侧面和背面均用聚苯乙烯板做保温处理；用四块等面积的玻璃板作为集热器的上表面，太阳辐射通过玻璃板被集热板吸收.太阳能集热器的相关物性参数如表1所示.垂直烟囱高6 m，直径0.3 m，且做了隔热处理以减少热量损失.地埋管入口和烟囱出口均安装防雨帽，以防止雨水杂物进入，并减小外界风压对测试的影响.

表1 集热器物性参数

1.2 测试仪器选择及测点布置

为了分析SC-EAHE耦合系统夏季连续多日运行的自然通风特性，以及其对室内温度和土壤温度的影响，测试的主要参数包括：地埋管进出口空气温湿度、地埋管中心空气温度、地埋管周围土壤温度、太阳能集热器表面温度、地埋管出口空气流速、室内空气温度、太阳辐射强度等.

使用HOBO温湿度自动记录仪测量地埋管进出口温湿度.使用螺纹探头式K型热电偶测量地埋管中心空气温度和土壤温度，在地埋管水平段共设置6组温度测点，距水平管段入口5 m处记为T1，沿管内空气流动方向每隔5 m设置一组测点，为T2～T6，每组温度测点包含1个空气温度测点和6个土壤温度测点.空气温度测点设置于管道中心线，为1C～6C；土壤温度测点分别设置在管道截面的水平与垂直方向，距离外壁每隔15 cm(0.5倍管径)设置一处，每个截面竖直和水平方向各设置3个，分别为3V-1～3V-3和3H-1～3H-3(以T3处为例).使用球形K型自粘式热电偶测量集热器表面温度，集热器内每隔1.4 m设置一组温度测点.使用Omega工业用热线风速传感器测量地埋管出口风速，风速测点按等圆环面积法均匀布置在地埋管出口截面处.使用螺纹探头式K型热电偶测量室内空气温度，实验房间和对比房间中心距地板1.7 m高度处各设置1个温度测点.使用RS-RA-I120-JT太阳能辐射变送表测量太阳辐射，变送表放在室外无遮挡的水平面上.所有热电偶在安装前均用冰水混合物进行标定.地埋管中心空气温度测点与土壤温度测点如图2所示.集热器表面温度测点如图3所示.风速测点布置如图4所示.

图2 地埋管中心空气温度测点与土壤温度测点布置图(以T3处为例)

图3 太阳能集热器表面温度测点布置图

图4 地埋管出口风速测点布置图

1.3 测试仪器精密度分析

实验不确定性分为内部不确定性和外部不确定性.

对于内部不确定度，在统计分析的基础上计算为

(1)

对于外部不确定度，采用均匀分布计算，即

(2)

式中：μi为外部不确定性；ei为测量仪器的最大误差.

总的误差可以表示为

(3)

式中：σ为总不确定性；p为内部不确定性的数量；r为外部不确定性的数量.

本文中使用的所有设备的规格以及基于式(1)～(3)计算的最大误差容限(99%置信区间)见表2.

表2 测试仪器型号及精度

2 相关参数计算

地埋管出口风量计算为

Va=3 600·πd2va/4

(4)

式中：Va为风量，m3/h；va为空气流速，m/s；d为地埋管直径，m.

地埋管制冷量计算为

Qt=Vaρa(hi-ho)

(5)

式中：Qt为制冷量，W；hi、ho为EAHE的进、出口空气焓值，J/kg；ρa为空气密度，取值为1.18 kg/m3.

空气焓值计算为

h=1.01T+(2 500+1.84T)ω

(6)

式中：ω为空气含湿量，g/kg；T为空气温度，℃.

空气含湿量计算为

(7)

式中：φ为空气相对湿度，%；Ps为水蒸气分压力，Pa；P0为当地大气压力，Pa.

其中，Ps与P0满足下列方程.

(8)

式中：C1=-7.902 98,C2=5.028 08,C3=-1.381 6×10-7,C4=8.132 8×10-3.

3 实验结果分析

3.1 太阳能集热器表面温度

图5所示为太阳能集热器不同位置的温度变化情况.

图5 太阳能集热器表面温度变化图

由图可知，白天集热器表面温度随太阳辐射强度变化呈周期性变化，在太阳辐射较弱时，集热器表面温度大约在20 ℃左右轻微波动，当太阳辐射强度变大，集热器表面温度快速升高，到14∶00左右达到最大值约100 ℃，然后逐渐下降，最终稳定在20 ℃左右.这说明在测试期间，太阳能集热器运行稳定，可以为整个耦合系统的稳定运行提供基础条件.

3.2 地埋管出口风量

图6所示为地埋管出口风量变化.风量的大小直接关系到耦合系统向室内输送冷/热量的多少，是描述耦合系统运行性能的关键参数.由前述理论分析可知，地埋管出口风量呈周期性变化，白天取决于太阳辐射强度，夜晚取决于室内外温差.由图可知，风量的峰值比太阳辐射强度的峰值出现有一定的延迟，这是由于太阳能集热器的升温需要一定时间.最大通风量一般出现在每天下午13∶30左右，且其峰值在230～280 m3/h之间，换气次数为8.5～10.4次/h.夜晚由于室内外温差的存在，风量仍能保持着100～175 m3/h左右.在测试期间，9月9日天气为多云，太阳辐射强度较低，故系统风量在白天相较其他几日有所下降，峰值为170～220 m3/h，但仍能在全天保持自然通风过程，换气次数为6.3～8.1次/h.说明耦合系统在太阳辐射不足的情况下仍能维持较好的通风效果.

图6 地埋管出口风量与太阳辐射强度变化图

3.3 地埋管进出口温度

图7所示为测试期间地埋管进出口空气温度变化情况.由图可知，地埋管进出口温度均呈现周期性变化，与地埋管进口相比，其出口温度波动幅度明显减小.在测试期间，地埋管进口温度在18～36.4 ℃波动，波动幅度为18.4 ℃，而出口温度在25.8～27 ℃之间波动，波动幅度为1.2 ℃，波动幅度比室外空气减小了93.48%.地埋管进口最高温度为36.4 ℃，出现在9月7日16∶00左右，此时对应的出口温度为27 ℃，温度降低9.4 ℃；地埋管进口最低温度为18 ℃，出现在9月7日5∶00左右，对应出口温度为25.8 ℃，温度升高7.8 ℃.说明地埋管可以有效对室外空气进行冷却和加热，从而维持出口空气温度稳定，改善室内热环境.

图7 地埋管进出口空气温度变化图

3.4 地埋管进出口相对湿度

图8所示为地埋管进出口空气相对湿度及进口空气温度变化情况.地埋管进口空气的相对湿度在24.1%～98.6%之间变化，变化趋势与进口空气温度变化相反，出口空气相对湿度波动明显较小，变化范围为49.1%～84.1%，波动幅度比室外空气温湿度减小了53%.这说明地埋管可以有效地将送入室内空气的相对湿度维持在比较稳定的范围.

3.5 制冷量

图9所示为地埋管制冷量与太阳辐射强度的变化情况，由图可以看出，随着太阳辐射强度变化，制冷量变化较大.在太阳辐射较强的几天，即9月3日至9月8日，制冷量峰值在600～800 W波动；9月9日天气为多云，太阳辐射强度相对前几天较低且不稳定，制冷量减少为400～600 W，降幅达33%.显然，耦合系统制冷量随太阳辐射强度的增加而增加，反之亦然.此外，如图8所示，制冷量峰值的出现比太阳辐射强度峰值的出现滞后了约1～1.5 h，而我们希望在太阳辐射强度最大时可以达到最大制冷量.故若能进一步对耦合系统进行优化设计，减小太阳辐射强度与系统制冷量之间的时间延迟，提升二者的匹配关系，将会进一步提升耦合系统的性能.

图8 地埋管进出口空气相对湿度与进口空气温度变化图

图9 制冷量与太阳辐射强度变化图

3.6 室内温度

图10所示为实验房间和对比房间的室内空气温度变化情况.由图可知，在测试期间，实验房间与对比房间温度变化趋势基本相同，而实验房间空气温度要低于对比房间，二者的温差在白天更为明显，夜晚则相对较小.对比房间室内温度在26.9～36.4 ℃之间波动，平均温差为5.6 ℃；而实验房间的温度波动在26.5～29.9 ℃之间，平均温差为2.9 ℃，实验房间的温度波动比对比房间降低48.2%.同时，实验房间温度比对比房间平均降低了2.5 ℃.由此可见，耦合系统在夏季可以有效降低室内温度并减小室温波动，从而提高室内热环境水平.

图10 实验房间与对比房间室内温度变化图

3.7 地埋管中心空气温度

图11所示为地埋管长度方向不同位置中心空气温度变化情况.由图可知，在夏季白天，地埋管对空气有显著的降温效果.在水平管段的前15 m，即1C测点到3C测点(2C测点热电偶损坏造成数据缺失)，空气在这段管道中降温幅度较大，1C测点空气平均温度为35.4 ℃，3C测点为28.2 ℃，温度降幅达7.2 ℃.相比于水平管段的前15 m，管段后15 m(即4C～6C测点)降温幅度明显减小，平均温降为1.6 ℃.这说明地埋管内空气与土壤的热交换主要发生在管段的前半部分.同时，从图中可以看出，在进口(1C)空气温度不同的情况下，30 m处(6C)空气温度基本一致，说明地下3 m、长30 m的地埋管对空气有充分的冷却作用，并且在进口空气温度较高时降温效果更显著.夜晚空气温度变化规律与白天相同，但过程相反，由降温变为升温.

图11 地埋管中心及出口温度变化

3.8 土壤温度

图12所示为T1组测点所在截面土壤水平方向的温度变化情况.1H1、1H2、1H3分别距离地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管径).由图可知，实验开始时，三个测点处的土壤温度基本相同，约为23.85 ℃；实验开始后，由于和流经管内的空气发生热交换，土壤温度开始波动，呈现明显的周期性变化.其变化规律与室外空气温度变化规律呈相似的趋势，但与室外空气温度相比，存在峰值的衰减和时间的延迟.从图10可以看出，距离地埋管越近，土壤温度越高，测点1H1比1H2平均高0.25 ℃，1H2又比1H3高0.11 ℃，这说明靠近地埋管的土壤与管内空气换热更多，其受空气温度影响更大，故升温更明显.在系统连续运行期间，1H1～1H3测点的土壤温度相比实验开始时均呈现上升趋势，各测点温度峰值如表3所示.

图12 管道截面水平方向土壤温度变化

表3 不同测点土壤温度峰值

由表3可知，1H1测点的升温幅度明显高于1H2和1H3，且随着系统运行时间的延长，各点的升温幅度开始逐渐减小，造成这一现象的原因有两点，一是随着土壤温度的上升，土壤与空气间的温差逐渐减小，传热效果逐渐减弱；二是夜晚室外空气温度较低，冷空气进入地埋管与土壤换热，使土壤被冷却，从而与白天的温升抵消，达到热平衡.由此可知，合理进行夜间通风，充分利用夜晚冷空气对土壤的降温作用，有利于土壤温度的恢复，从而增加耦合系统连续运行的稳定性.

图13所示为T1组测点所在截面土壤竖直方向的温度变化情况.1V1、1V2、1V3分别距离地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管径).与水平方向类似，由于室外空气温度的影响，竖直方向土壤温度呈周期性变化，且相比室外空气存在峰值衰减和时间延迟.在实验开始时，由于埋深不同，相邻测点间有约0.5 ℃的温差，埋深最深的1V1测点温度低，为24.4 ℃；1V2测点次之，为24.9 ℃；埋深最浅的1V3测点温度最高，为25.3 ℃.1V2和1V3测点变化规律与水平方向基本一致，在前5天每日约升温0.2 ℃，后两天趋于稳定.1V1测点变化规律却与其他测点有较大区别，其波动幅度更大，峰值持续时间更短，这是由于1V1测点靠近地埋管，受室外空气温度影响更大.

图13 管道截面垂直方向土壤温度变化

土壤温度能否恢复是决定地埋管是否能稳定连续运行的关键因素.图14所示为1H1测点土壤在系统工作期与恢复期的温度变化情况.在系统连续运行一周结束后，马上将地埋管进出口用密封盖进行密封，然后对土壤温度变化进行观测，直到土壤温度恢复稳定.

图14 连续运行和恢复期间土壤温度的变化

在系统连续运行期间，1H1测点由于位于地埋管进口附近，故最先受到进口空气温度影响，导致运行期间温度持续升高，直到第六天温度才趋于稳定.该测点土壤初始温度为23.9 ℃，系统连续运行一周后温度为24.7 ℃，升高了0.8 ℃.在恢复期内，土壤温度逐渐降低，在9.10～9.12期间土壤降温幅度较大，之后降温速率减小，最终在9.16恢复系统运行前的初始温度.由此可见，尽管土壤只有不到1 ℃的温升，在自然状态下却需要6 d才能恢复至初始状态.由表3结论可知，夜间室外冷空气对土壤有良好的降温效果，因此，充分利用夜间通风，发挥夜间空气的自然冷源作用，对土壤温度的恢复有积极作用.

4 结论

为研究SC-EAHE耦合系统在室外气象条件变化的情况下多日连续运行的可靠性，以及其对室内温度的影响，本文利用全尺寸的实验平台，对系统相关性能参数及室内温度进行了为期一周的连续测试，得出以下结论：

(1)SC-EAHE耦合系统在夏季连续运行中可以稳定提供风量，其峰值在太阳辐射充足时可达230～280 m3/h，在太阳辐射强度较低时，峰值为170～220 m3/h，可以为建筑提供全天自然通风.

(2)系统制冷量随太阳辐射强度的增加而增加，在太阳辐射充足时，制冷量峰值达600～800 W，太阳辐射强度较低时峰值为400～600 W.

(3)地埋管在夏季可以减小室外空气温湿度波动，出口温度波动范围为25.8～27 ℃，相对湿度波动范围为49.1%～84.1%，波动幅度相较入口分别降低了93.48%和53%.

(4)EAHE-SC耦合系统在夏季可以有效降低室内温度，实验房间平均温度比对比房间降低2.5 ℃，同时室温波动降低48.2%，说明耦合系统在夏季可以改善室内热环境.

(5)系统连续运行一周后，土壤温度升高了0.8 ℃，在自然状态下需要大约6 d恢复至初始状态.若能合理进行夜间通风，充分利用夜间空气作为自然冷源对土壤进行冷却，将对土壤的温度恢复具有积极作用.