严寒地区被动式建筑地道风系统应用分析

陈旭 孙金栋 张雨铭 李静 史思阳 李明月

北京建筑大学环境与能源工程学院

被动式低能耗建筑在国内发展快速[1]，被动式低能耗建筑要求设置带有高效热回收装置的通风系统，冬季室内送风口出风温度不得低于16 ℃[2-3]。对于我国广大面积的严寒地区和寒冷地区，冬季匹配新风需进行预热才能满足送风口出风温度要求。目前常采用的新风预热方式以地源热泵及空气源热泵为主。利用天然地层蓄热（冷）性能的地道风系统预热新风，具有更好的节能效果和环保效益[4]。刘远禄等[5]对武汉工业厂房地道风系统地道长度及地道通风量进行研究及优化，得到该地区地道长度及埋深最优值。贾玲玉等[6-7]对地道风系统物理模型进行了简化，建立了动态换热模型。张敏等[8]计算了地铁车站地道风系统逐时换热量，分析了该系统的节能性。笔者参与了被动式低能耗建筑北京焦化厂居住小区项目和山西大同科技馆项目地道风的设计和实施，本文基于对哈尔滨某项目地道风的理论分析，研究严寒地区地道风影响因素，并给出合理的地道风管道数量及埋深。

1 地道风系统简介

地道风系统是指利用土壤中的地热能去冷却或加热室外空气，并由通风装置将处理过后的空气再送 入室内的通风系统，改善室内热湿环境。在严寒地区通过地道系统预热新风，还可防止新风机组出现结霜等现象[10]。被动式低能耗建筑中地道风系统及新风系统应用示意图如图1。

图1 被动式低能耗建筑中地道风系统应用示意图

冬季，室外空气温度低于地道壁面温度，新风流经地道时，空气逐渐被地道壁面加热。若忽略地道壁面的自然析水，随着地道长度的增加，空气的干球温度逐渐上升，含湿量不变，相对湿度逐渐减小，新风在地道内的加热过程可近似认为等湿加热过程。

夏季，室外空气温度高于地道壁面温度，新风流经地道时，空气逐渐被地道壁面冷却。若忽略地道壁面的自然析水，随着地道长度的增加，空气的干球温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，含湿量基本不变，实现等湿冷却过程。当地道壁面温度低于空气露点温度时，将会在地道壁面产生结露现象，空气含湿量减小，实现减湿冷却过程。

2 土壤温度分析

根据文献[11]、[13]，不同深度地层土壤温度计算宜采用当地的实际数据。当无相应测试数据时，应按下列公式计算：

式中：y为土壤深度，m ；t(τ,y)为土壤深度y在某一时刻时的原始温度，℃ ；t0为土壤表面全年平均温度，该温度等于全年年平均气温，℃；Ad为土壤表面温度的全年波动幅度，℃；w为温度波动的频率，rad/h；a为土壤的导温系数，m2/h；tmax为全年气温最高温度，℃；tmin为全年气温最低温度，℃；Z为温度波动的周期，h。

以哈尔滨地区作为严寒地区代表城市进行研究。哈尔滨地区气温及土壤等相关参数如下：全年最高温度为 29.2 ℃，全年最低温度tmin为-22.8 ℃，全年年平均地面温度t0为 5.38 ℃，全年地面温度波幅Ad为 26 ℃，土壤导温系数a为0.0037 m2/h，温度波动周期Z为8760 h（以一年为计算周期）。

经计算，哈尔滨地区典型月份夏季 7 月和冬季 1 月不同深度地层土壤温度如表1。

表1 哈尔滨地区7 月及1 月不同深度土壤温度（1～10 m）

由表1 计算结果，可以得到：夏季7 月（最热月份）和冬季 1 月（最冷月份），地表土壤温度全年波动幅度较大。

改变式（1）中温度波动频率，经计算哈尔滨地区土壤温度随深度及月份变化图如图2、图3。

图2 不同月份下土壤温度随土壤深度变化图

由图2 和图3 及计算结果，可以得到：

图3 不同土壤深度下土壤温度随月份变化图

1）在土壤深度小于16 m 时，土壤温度受地表温度 变化影响存在波动，属于浅层土壤。在土壤深度大于 16 m 时，土壤温度基本处于稳定，不再受地表温度变化影响，属于深层土壤。

2）在浅层土壤范围，土壤温度受地表温度及全年周期影响存在延迟时间，延迟时间与土壤深度有关，土壤深度越深，延迟时间越长。在土壤深度6～15 m 区间，哈尔滨地区冬季1 月份土壤温度高于夏季7 月份土壤温度。在土壤深度 6～9 m 区间，夏季土壤温度最低，冬季温度最高，且开挖深度较浅利于降低开挖成本，因此，哈尔滨地区地道风埋管深度宜选择在6～9 m 区间。

3 地道风系统换热理论

3.1 传热系数

在送风量一定时，风速随着管道直径的变化而变化，雷诺数及管道内气流与管壁之间的传热系数发生变化。管道内气流与管壁之间的传热系数[12]按式（4）、式（5）计算（若空气流速小于1 m/s，则传热系数按数值为5.8056 W/(m·K)考虑）。

式中：h为管道内气流与管壁之间的对流换热系数，W/ (m2·K)；λ为空气导热系数，W/(m2·K)；de为地道当量管道直径，m；Re 为雷诺数；v为运动粘度，m2/s。

地道风系统综合传热系数[11]按式（6）、式（7）计算。

式中：K为地道风综合传热系数，W/ (m2·K)；α为地道壁体导温系数，m2/h；β为地道形状修正系数；τ为供冷期连续运行时间，h；U为地道横断面周长，m。

3.2 地道风出口温度

地道风出口温度受空气入口温度，管道直径，管道换热面积及管道传热系数等因素影响，间歇运行时按式（8）、式（9）计算[11]。

式中：t1为地道入口空气温度，℃；t2为埋管土壤层全年平均温度，℃；t3为地道出口空气温度，℃；B为间歇运行修正系数；K为地道风综合传热系数，W/(m2·K)；F为地道换热面积，m2；G为空气质量流量，kg/s；c为空气定压质量比热，J/(kg·K)；Ki为对应每一通风热周期相应计算时间的不稳定传热系数，W/(m2·K)；如每天通风 10 小时，则τ0=10；τ1=24；τ2=24+10=34；τ3=48（小时）……；K0为初始换热周期的不稳定传热系数，W/(m2·K)。

4 地道风系统影响因素

影响地道风系统的因素有埋管深度、土壤温度、管道长度、管径、风速、入口温度、管道数量及管间距等，还要考虑施工作业范围和施工成本的影响，比较复杂。本文主要结合哈尔滨某被动式低能耗建筑地道风系统项目，重点研究分析入口温度、风速、管道材质、管道直径及管道数量等因素对出口温度的影响。

该项目为工厂改造项目，被动式低能耗建筑设计，地道风系统出口温度0 ℃以上，埋管深度7 m，管道长度 100 m，新风量 30000 m3/h，新风入口风速 2.65 m/s。地道采用钢筋混凝土管和不锈钢管进行对比分析。

4.1 入口温度变化的影响

在新风入口风速，管道直径，管道数量及管长均不变的情况下，不同新风入口温度（新风入口温度从-20 ℃至0 ℃）下地道风空气出口温度的变化具体如图 4 所示。

由图4，在仅改变新风入口温度的情况下，对于不锈钢、钢筋混凝土管道，地道风出口温度随着新风入口温度提高而升高，呈线性变化。由于不锈钢管导热系数远大于钢筋混凝土管，采用不锈钢管时地道风出口温度远高于钢筋混凝土管的出口温度。即使在入口温 度达到-20 ℃时，采用不锈钢管也能够满足被动式低能耗建筑地道风系统出口温度0 ℃以上的要求。

图4 新风入口温度对地道风出口温度影响

4.2 新风入口风速变化的影响

在新风入口温度，管道直径，管道数量及管长均不变的情况下，不同新风入口风速（新风入口风速从 0.5 m/s 至2.7 m/s）下地道风空气出口温度的变化如图 5 所示。

由图5，在仅改变新风入口风速的情况下，对于不锈钢、钢筋混凝土管道，地道风出口温度随着新风入口风速增大而降低。不锈钢管对流换热系数较高，故受新风入口风速影响较小。钢筋混凝土管对流换热系数较低，故受新风入口风速影响较大。

图5 新风入口风速对地道风空气出口温度影响

4.3 管道直径变化的影响

在新风入口温度，新风入口风速，管道数量及管长均不变的情况下，不同管道直径（管道直径从 0.4 m 至1.4 m）下地道风空气出口温度的变化如图6 所示。

图6 管道直径对地道风空气出口温度影响

由图6，在仅改变管道直径的情况下，对于不锈钢、钢筋混凝土管道，地道风出口温度随着管道直径增大而降低，呈下降趋势。当管道直径大于1 m 时，不锈钢管地道风出口温度都在0 ℃以下。但管道内部中心气流温度受管道直径影响较大，管道直径过大时，中心气流温度降低。

4.4 管道数量变化的影响

在新风入口温度，新风入口风量，管道直径及管长均不变的情况下，根据式（8）计算得出不同管道数量（管道数量从1 个至10 个）下地道风空气出口温度的变化如图7 所示。

图7 管道数量对地道风空气出口温度影响

由图7，不锈钢、钢筋混凝土管道地道风出口温度均随着管道数量的增多而升高，呈上升趋势。当管道数量较多时，换热面积相应增大，换热量也随之逐渐增大。多管道敷设时，还应控制管道间距在2 m 以上，以防止管道对地道降温能力的影响[14]。管道数量增加，不仅造成开挖工程量大幅增加，还造成原材料成本增加。因此，地道风管道数量要根据工程项目实际情况，综合考量而定。

5 结论

以哈尔滨地区为严寒地区代表城市，通过对地道风系统公式拟合计算，对严寒地区被动式建筑地道风系统研究得到如下结论：

1）严寒地区地道风系统埋深宜在6～9 m 范围。

2）在严寒地区，当新风入口温度与土壤温度形成大温差时，宜采用地道风系统较为适用。当新风入口温度与土壤温度形成大温差时，建议管道采用不锈钢为材料。当新风入口温度与土壤温度形成小温差时，建议管道采用钢筋混凝土为材料或停止运行地道风系统，避免地道风系统所用离心式通风机功耗增加。

3）在严寒地区，对于新风入口风速较小的地道风系统，建议管道采用不锈钢为材料。对于新风入口风速较大的地道风系统，因钢筋混凝土管受新风入口风速影响较大，建议管道采用钢筋混凝土为材料。

4）在严寒地区，对于不锈钢、钢筋混凝土管道，地道风采用较小管道直径管道利于出口温度提升，但管道直径不宜超过1.6 m，否则工程开挖面积增大，工程成本增加。当管道直径为0.4～0.8 m 时，由于管内风速过快（风速超过4 m/s），导致风机功耗过大且使得地道风出口空气升温幅度趋于平缓，故严寒地区钢筋混凝土管道直径应控制在0.8～1.6 m 范围内。

6）严寒地区管道数量应控制在 3 根至 8 根范围内，否则管道及工程成本增加。