地道風(fēng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

張靜紅譚洪衛(wèi)王亮

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

2010年，我國的建筑能耗（不含生物質(zhì)能）占社會總能耗的20.9%。近年來雖然建筑能耗占社會總能耗的比率略有下降，但是隨著建筑面積的不斷擴(kuò)大，生活水平的不斷提高，總建筑能耗仍不斷上升。其中空調(diào)采暖能耗占55%，是建筑能耗的主要部分。改變高能耗的生活方式，最大限度地減少能源消耗，減少有害物質(zhì)的排放，以及充分利用可再生能源成為采暖空調(diào)領(lǐng)域發(fā)展的新要求。為實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，將太陽能、地?zé)崮艿榷喾N可再生能源應(yīng)用到建筑中已成為通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。其中地?zé)崮苁强稍偕茉粗心芘c建筑較好結(jié)合的一種能源形式，已受到世界各國的廣泛關(guān)注。

作為可再生能源利用的一種簡單形式——地道風(fēng)系統(tǒng)，早在公元3000年，雅典建筑師便將它結(jié)合風(fēng)塔來為建筑供冷[1～2]。如今，由于結(jié)構(gòu)簡單、能效高等優(yōu)點，地道風(fēng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到建筑通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域中，用于減少日益攀高的建筑能耗。本文主要對國內(nèi)外地道風(fēng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 地道風(fēng)系統(tǒng)介紹

地道風(fēng)系統(tǒng)（Earth to Air Heat Exchanger System，EAHES）是指利用蓄存在土壤中的地?zé)崮埽ǖ叵?.5～3m以下的土壤溫度保持恒定[3]）冷卻或加熱室外空氣（或室內(nèi)回風(fēng)），并由機(jī)械送風(fēng)或誘導(dǎo)式通風(fēng)將處理后的空氣送入室內(nèi)，以改善室內(nèi)熱環(huán)境。它相當(dāng)于一臺土壤-空氣熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱能量的儲存作用來降低建筑物的空調(diào)采暖負(fù)荷。

地道風(fēng)系統(tǒng)由三部分組成：1）進(jìn)風(fēng)口部分；2）地埋管換熱部分；3）出風(fēng)口部分。其中地道進(jìn)風(fēng)可以是全新風(fēng)、部分新風(fēng)或循環(huán)風(fēng)。地埋管換熱部分，即土壤-空氣換熱器，是地道風(fēng)系統(tǒng)的重要換熱部件，用于承擔(dān)建筑負(fù)荷。出風(fēng)口部分根據(jù)建筑形式的不同，因地制宜。

圖1 地道風(fēng)系統(tǒng)

目前，國內(nèi)外對地道風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中于換熱特性、系統(tǒng)性能和復(fù)合式技術(shù)三個方面。本文首先總結(jié)概括了地道風(fēng)系統(tǒng)換熱特性的研究進(jìn)展，然后歸納匯總了地道風(fēng)系統(tǒng)性能影響因素的研究成果，最后介紹了四種與地道風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合式技術(shù)。

2 地道風(fēng)系統(tǒng)換熱特性研究

地道風(fēng)系統(tǒng)的核心部件是土壤-空氣換熱器（Earth to Air Heat Exchanger，EAHE），其換熱效果直接影響到系統(tǒng)的整體性能。因此，對地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱特性研究就是對土壤-空氣換熱器傳熱機(jī)理的研究。下面依據(jù)所采用研究方法的不同，綜述國內(nèi)外對土壤-空氣換熱器機(jī)理的研究進(jìn)展。

2.1 實測方法

實測方法是研究地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱機(jī)理最直接、最準(zhǔn)確的手段。

Mihalakakou[4]基于已有的大量地道風(fēng)系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，利用回歸分析法和單一變量法，建立地道長度、直徑、風(fēng)速和埋深的因數(shù)關(guān)系式，便于實際工程設(shè)計。印度學(xué)者Thanu等[5]利用實測數(shù)據(jù)得到了地道風(fēng)系統(tǒng)在冬季、夏季和雨季的性能系數(shù)，同時證明了地道出口溫度與進(jìn)口溫度是線性相關(guān)的，并給出了線性關(guān)系式。

2.2 解析方法

為了簡化土壤-空氣換熱器模型，很多學(xué)者[6～8]假定沿管道長度方向的土壤溫度保持不變，提出了如下的計算公式：

式中：Tout為地道出口空氣溫度，℃；Tin為地道進(jìn)口空氣溫度，℃；Tsp為地道壁面溫度，℃；NTU（L）為傳熱單元數(shù)，無量綱參數(shù)；ha為空氣與地道壁面對流換熱系數(shù)，W/m2K；D為地道當(dāng)量直徑，mm；L為地道長度，m。部分學(xué)者近似認(rèn)為土壤溫度為常數(shù)，另有部分學(xué)者使用半無限大物體模型，綜合考慮太陽輻射和室外氣溫的影響，得出土壤溫度變化的計算式。

張錫虎[9]引入“熱傳遞厚度”概念，用較為穩(wěn)定的土壤溫度代替壁面溫度?！盁醾鬟f厚度”計算式采用ENISO 13786標(biāo)準(zhǔn)的滲透厚度。

式中：a為熱擴(kuò)散率，m2/s；τ為時間，s。

意大利學(xué)者Ascione[10]結(jié)合“熱傳遞厚度”概念和“熱阻”理論，土壤溫度采用式（3），求解地道出口溫度。

式中：Tout為地道出口空氣溫度，℃；Tin為地道進(jìn)口空氣溫度，℃；Tsoil為未受干擾土壤溫度，℃；U為地道周長，m；L為地道長度，m。

2.3 數(shù)值方法

利用數(shù)值方法求解土壤與空氣的傳熱過程主要關(guān)注建模過程中邊界條件的設(shè)定及模型簡化的條件，因為這是影響數(shù)值計算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

Bojic[11]在不考慮管道間換熱的相互影響下，提出了地道埋深方向上的一維離散方程，將土壤分割成多層，層內(nèi)熱傳導(dǎo)采用穩(wěn)態(tài)計算方式，層間傳熱利用熱平衡關(guān)系式，以此來建立土壤與空氣的耦合傳熱模型。Kumar[12]綜合考慮地道凝結(jié)水、土壤含水率和太陽輻射影響，利用有限差分法（FDM），建立了瞬態(tài)隱性的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)實驗驗證其不同地道長度的溫度誤差小于1.6%。Badescu等[13]考慮沿地道長度方向土壤溫度的變化，將其等分為22個分層，層間空氣傳熱為穩(wěn)態(tài)過程，采用控制容積法（CVM）建立土壤-空氣傳熱偏微分方程，并用PDETWO器求解。吳會君等以土壤導(dǎo)熱方程和湍流模型為基礎(chǔ)，采用溫度場疊加法對土壤-空氣換熱進(jìn)行了三維動態(tài)數(shù)值模擬，計算了埋管出口溫度隨時間的動態(tài)變化[14]。

3 地道風(fēng)系統(tǒng)性能研究

由于土壤與空氣的換熱是一個十分復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)耦合傳熱過程，一方面，地道結(jié)構(gòu)、土壤特性、地面氣象參數(shù)影響著換熱器的傳熱效果；另一方面，換熱器的傳熱過程又與建筑負(fù)荷互相影響。因此，下面主要總結(jié)影響地道風(fēng)系統(tǒng)換熱性能的四個方面，包括地道參數(shù)、地道結(jié)構(gòu)、土壤特性、通風(fēng)時間。

3.1 地道參數(shù)

地道參數(shù)包括埋深、長度、直徑、地道材料和風(fēng)速。國內(nèi)學(xué)者[14～15]利用實測驗證過的三維土壤-空氣傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型模擬分析了長度、埋深、風(fēng)速等參數(shù)對系統(tǒng)換熱效果的影響，得到如下結(jié)論：1）埋深越深，地道換熱效果越強(qiáng)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和換熱效果，地道埋深取3～4m為宜；2）地道換熱效果隨著地道長度線性遞增；3）管徑的減小，地道出口的空氣溫度降低；4）地道較短時風(fēng)速不宜過高，地道較長時可適當(dāng)提高風(fēng)速。地道材料需具備耐腐蝕、熱阻小、成本低和易安裝等特點。目前常采用的管材有混凝土結(jié)構(gòu)、塑料管和金屬管。印度學(xué)者Bansal[16]進(jìn)行了鋼管和PVC管對比實驗研究，結(jié)果表明地道材料對換熱效果的影響不大。

3.2 地道結(jié)構(gòu)

地道結(jié)構(gòu)即指地道的埋管方式。地道常采用水平布置方式，形式多樣，可分為單管式/多管式、串聯(lián)式/并聯(lián)式、開式/閉式。

當(dāng)單根地道所提供的冷量無法滿足建筑負(fù)荷需求時，則考慮多管道形式。多管道地道結(jié)構(gòu)的埋管方式可分為串聯(lián)或并聯(lián)式兩種，如圖2所示，串聯(lián)式最大的地道長度是并聯(lián)式的3倍。Chel和Ghosal在地道風(fēng)系統(tǒng)研究中采用的是串聯(lián)埋管，而Bojic和Pfafferott采用的則是并聯(lián)式[7,11,17～18]。目前，對于兩種地道結(jié)構(gòu)形式對于系統(tǒng)阻力的影響分析還很少見。

圖2 并聯(lián)式/串聯(lián)式

上述多管式換熱模型均未考慮管道間換熱的相互影響。為解決該問題，Thiers和Peupotier[19]采用有限容積法分析同等埋深的水平地埋管間的相互影響。對于每根地道劃分為兩層同心圓柱網(wǎng)格（包括空氣網(wǎng)格和地道網(wǎng)格），同時受影響土壤層為另一層網(wǎng)格。宋凌等基于三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型和一維流體傳熱模型得到數(shù)序模型，建立了采用修正溫度作為修正系數(shù)的多管地道降溫簡化算法，可用于實際工程設(shè)計[20]。

地道風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)通風(fēng)形式分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種。開式系統(tǒng)即指地道進(jìn)風(fēng)采用室外新風(fēng)，室內(nèi)熱環(huán)境直接受室外氣象影響。對于高濕度地區(qū)，地道出風(fēng)的濕度相對較大，需要配置除濕裝置。閉式系統(tǒng)即指地道進(jìn)風(fēng)采用室內(nèi)回風(fēng)，與建筑負(fù)荷聯(lián)系緊密。

3.3 土壤特性

含水率是土壤特性的重要參數(shù)，直接作用于土壤導(dǎo)熱系數(shù)，從而影響地道風(fēng)系統(tǒng)換熱效果。

Mihalakakou分析了含水率對地道風(fēng)系統(tǒng)性能的而影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率降低，土壤導(dǎo)熱系數(shù)下降[21]。而對于不同的土壤含水率，地道出口溫度的最大差值僅為0.36℃，因而認(rèn)為可忽略含水率的影響。而2011年廣州大學(xué)學(xué)者周曉慧通過實驗數(shù)據(jù)得到土壤含水率對導(dǎo)熱系數(shù)有很大影響，其中土壤含水率25%時的導(dǎo)熱系數(shù)是含水率2%的4.14倍[22]。利用FLUENT軟件建立了土壤-空氣換熱系統(tǒng)的耦合傳熱模型。模擬結(jié)果表明隨土壤含水率的增加，地道空氣的溫降逐漸增大，換熱效果顯著，在土壤含水率為10%～20%區(qū)間溫降比較明顯，最大溫降可達(dá)6.44℃。土壤含水率超過20%，溫降有增加的趨勢，但是幅度不大。這是由于所選取的土壤含水率區(qū)間不同所引起的。

3.4 通風(fēng)時間

通風(fēng)時間與建筑實際運行負(fù)荷和地道風(fēng)系統(tǒng)的運行特性密切相關(guān)，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的性能。

劉澤華建立了地道風(fēng)降溫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合建筑熱過程的動態(tài)模擬，編制了用地道風(fēng)通風(fēng)時室內(nèi)熱環(huán)境的預(yù)測軟件，用于指導(dǎo)實際系統(tǒng)的起用、停用日期，運行區(qū)間以及運行時數(shù)等[23]。Tiwari等[24]忽略空氣流動對周圍土壤的影響，基于穩(wěn)態(tài)傳熱分析，建立了地道風(fēng)技術(shù)與溫室的耦合傳熱模型。同時，他們利用該模型優(yōu)化地道風(fēng)系統(tǒng)的運行時間以獲得最大的采暖/制冷能力。南京理工學(xué)者桂玲玲利用FLUENT軟件建立了地道風(fēng)系統(tǒng)的傳熱數(shù)值模型，對比了6h、12h、18h和24h四種不同通風(fēng)時間下的地道風(fēng)系統(tǒng)性能[25]。模擬結(jié)果表明隨著通風(fēng)時間的增加，地道的冷卻（升溫）能力下降。

4 復(fù)合式地道風(fēng)系統(tǒng)

由于埋管面積、土質(zhì)條件等降低了系統(tǒng)整體的制冷/供冷能力，同時存在室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳等問題，限制了地道風(fēng)的實際應(yīng)用范圍。因此，國內(nèi)外有很多學(xué)者在探索地道風(fēng)與其他系統(tǒng)相結(jié)合的應(yīng)用方式。

4.1 地道風(fēng)結(jié)合空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)由于室外溫度較低，易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，致使頻繁開啟除霜工況，系統(tǒng)整體制熱性能系數(shù)（COP）大大下降。因此，山東建筑大學(xué)的一批學(xué)者[26～27]提出將地道風(fēng)用作空氣源熱泵的低位熱源。

一方面，在冬季，室外空氣流經(jīng)地道被加熱后，其溫度升高，相對濕度減小?；诘氐里L(fēng)的空氣源熱泵在冬季運行時沒有結(jié)霜的問題，機(jī)組可以穩(wěn)定可靠地運行，這樣就節(jié)省了傳統(tǒng)空氣源熱泵的除霜能耗。

另一方面，通過實驗研究證明，基于地道風(fēng)的空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量、制熱性能系數(shù)COP和普通空氣源熱泵相比都有顯著的提高；而且室外空氣越低，增幅約明顯，即使在環(huán)境溫度為-8℃時，基于地道風(fēng)的空氣源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)仍為3.0，高于普通的空氣源熱泵系統(tǒng)，大大改善了在寒冷季節(jié)惡劣的運行情況。尤其在溫度極低的情況下，該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢更加顯著。同時省去了熱泵系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，簡化了空調(diào)系統(tǒng)。

4.2 地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

在炎熱干燥地區(qū)，單一的地道風(fēng)系統(tǒng)不足以滿足制冷季節(jié)室內(nèi)舒適度的要求。如果通過加深埋深或擴(kuò)大埋管面積的方式來提高地道風(fēng)系統(tǒng)的制冷量，將會是極不經(jīng)濟(jì)的。印度學(xué)者Bansal[28]提出在地道風(fēng)系統(tǒng)末端增加蒸發(fā)冷卻裝置進(jìn)一步冷卻提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，系統(tǒng)示意圖如圖3所示，蒸發(fā)冷卻器原理圖如圖4所示。

就全年運行情況來看，使用單獨的地道風(fēng)系統(tǒng)提供熱舒適性環(huán)境（ASHRAE 55）時間占全年的23.33%，而地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時間占全年的34.16%。由于當(dāng)?shù)鼐用駥崾孢m性的要求并不高，因此，地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)基本可滿足當(dāng)?shù)厝甑耐L(fēng)降溫要求。同時，地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)比單獨的地道風(fēng)系統(tǒng)全年的制冷量高3109MJ。因此，在炎熱干燥地區(qū)，地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)更顯優(yōu)勢。

圖3 地道風(fēng)結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

圖4 蒸發(fā)冷卻示意圖

4.3 地道風(fēng)結(jié)合太陽能煙囪系統(tǒng)

伊朗學(xué)者M(jìn).Maerefat[29]提出將地道風(fēng)與太陽能煙囪這兩種被動式系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用到建筑通風(fēng)降溫中，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 地道風(fēng)結(jié)合太陽能煙囪系統(tǒng)

由于太陽煙囪效應(yīng)，使得熱空氣不斷上浮，室內(nèi)新風(fēng)不斷通過地道補入，省去了傳統(tǒng)地道風(fēng)系統(tǒng)的驅(qū)動裝置——風(fēng)機(jī)，可謂是真正的被動式系統(tǒng)。通過建立太陽能煙囪和地道風(fēng)的耦合模型，并經(jīng)過實測數(shù)據(jù)驗證，來分析該系統(tǒng)的性能。地道模型基于穩(wěn)態(tài)計算，其物理模型如圖6所示，以“總熱阻”概念分析土壤-空氣的換熱過程。結(jié)果表明太陽能煙囪越高，室內(nèi)的熱舒適性就越差，因此可通過增加地埋管的數(shù)量提供冷卻能力來增強(qiáng)室內(nèi)的熱舒適性；當(dāng)?shù)芈窆艿墓軓綖?00mm，管道長度大于20m時，地道風(fēng)系統(tǒng)冷卻能力最佳。

圖6 地道物理模型

4.4 地道風(fēng)結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)

除了采用被動式太陽能煙囪系統(tǒng)來減少風(fēng)機(jī)電耗的方式外，土耳其學(xué)者Ylidiz[30]將光伏發(fā)電系統(tǒng)與閉式地道風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，由光伏發(fā)電系統(tǒng)承擔(dān)部分風(fēng)機(jī)的電耗，系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 地道風(fēng)結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

利用光伏發(fā)電技術(shù)給地道風(fēng)動力風(fēng)機(jī)供電，可大大減少高峰時系統(tǒng)的耗電量。根據(jù)實測結(jié)果可知，地道風(fēng)系統(tǒng)的日平均制冷量為5.02kW，而系統(tǒng)的耗電量為8.1kWh，其中34.55%的電量由光伏系統(tǒng)供應(yīng)，其余的則有電網(wǎng)供應(yīng)。

5 總結(jié)

1）作為傳統(tǒng)能源的替代形式，地道風(fēng)系統(tǒng)在建筑通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，不僅降低能源消耗還減少溫室氣體的排放。

2）由于利用土壤熱能，需要占用到土地資源，因此，地道風(fēng)系統(tǒng)只適用于低密度建筑。

3）從國內(nèi)外對地道風(fēng)系統(tǒng)土壤-空氣的換熱機(jī)理研究來看，對于不同的計算模型，給定合適的假設(shè)條件，都與實測值吻合得較好，可作為計算的依據(jù)。但是目前大部分的地道風(fēng)換熱模型都是針對特定的地道結(jié)構(gòu)，因此在通用性和推廣性上都略顯不足。

4）實際工程中埋管方式（串聯(lián)/并聯(lián)）和通風(fēng)方式（開式/閉式）形式多樣，關(guān)于該方面的對比研究還很少見。

5）結(jié)合實際建筑負(fù)荷需求，優(yōu)化地道風(fēng)系統(tǒng)的運行控制策略，包括起停用時間、運行時數(shù)等，是有效提高系統(tǒng)性能的手段。

6）復(fù)合式地道風(fēng)系統(tǒng)能很好解決單一地道風(fēng)系統(tǒng)中存在的問題，包括空氣品質(zhì)不高或冷熱量不足，將是地道風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

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