基于土壤能的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)冷卻能力研究

石發(fā)恩， 高松濤， 朱萌萌， 趙運(yùn)超， 蔣達(dá)華

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000)

基于土壤能的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)冷卻能力研究

石發(fā)恩， 高松濤， 朱萌萌， 趙運(yùn)超， 蔣達(dá)華

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000)

提出一套基于土壤能的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)，結(jié)合贛州地區(qū)土壤溫度分布特點(diǎn)，建立了土壤-空氣換熱器冷卻終溫計(jì)算模型，并計(jì)算換熱器傳熱系數(shù)K值，從理論上分析夏季地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)冷卻能力隨埋管長度、埋管半徑及埋管內(nèi)空氣流速變化的規(guī)律，并通過工程應(yīng)用舉例說明該冷卻新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，在贛州地區(qū)具有一定的推廣意義.理論分析結(jié)果表明:該新風(fēng)系統(tǒng)的冷卻能力隨著埋管長度增大而增大，隨著埋管半徑、埋管內(nèi)空氣流速的增大而減小，且地下埋管半徑不宜超過0.4 m，否則不利于空氣充分吸收土壤能，單根埋管長度應(yīng)小于180 m，管長達(dá)到180 m時(shí)通過增加管長來增加系統(tǒng)冷卻效率是不合理的.

地下埋管;土壤能;土壤-空氣換熱器;新風(fēng);空調(diào)能耗

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對建筑熱舒適的要求也相應(yīng)提升，導(dǎo)致空調(diào)能耗居高不下，且其中處理新風(fēng)的能耗至少要占空調(diào)消耗總能耗的20%[1].如何有效利用可再生能源滿足空調(diào)要求一直是研究熱點(diǎn)之一.由于地下一定深度的土壤溫度全年基本保持恒溫，因此利用埋管周圍的土壤能作為冷源對新風(fēng)進(jìn)行冷卻降溫處理可以減少空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷，達(dá)到節(jié)約能源的目的[2].

國內(nèi)外從上世紀(jì)90年代開始對該新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且在溫室、住宅、醫(yī)院等建筑中得到了應(yīng)用.Wontug Son等[3]通過工程的實(shí)測數(shù)據(jù)指出，該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調(diào)可以大幅度的減少新風(fēng)負(fù)荷，每年至少節(jié)約12萬日元的運(yùn)行費(fèi)用.Mihalakakou等[4]基于大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用三維藕合傳熱傳質(zhì)方法，得到預(yù)測換熱器出口溫度計(jì)算模型.Jens Pfafferott[5]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)土壤-空氣換熱器入口空氣溫度為33.7℃、埋管深處地溫17.2℃、測試點(diǎn)管長90 m處，空氣溫度實(shí)測值維持在20.4℃.吳會軍等[6-7]對土壤-空氣換熱系統(tǒng)進(jìn)行三維動態(tài)的數(shù)值模擬，得到換熱器出口溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系.目前為止，關(guān)于土壤-空氣換熱器理論研究，主要針對各種傳熱模型的建立，分析影響換熱器性能的埋管長度、埋管直徑、管內(nèi)風(fēng)速和埋深等因素.但上所述的研究結(jié)論過分依賴研究地點(diǎn)氣候特點(diǎn)、土壤特性、負(fù)荷情況等因素，就贛州地區(qū)而言，已有研究成果和結(jié)論無法直接用于預(yù)測該新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于贛州地區(qū)時(shí)的冷卻能力，因此不利于地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)在贛州地區(qū)應(yīng)用前景的確定.

鑒于上述研究背景，為預(yù)測地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于贛州地區(qū)的冷卻能力，并給該地區(qū)地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)，通過理論分析方法，在一定入口溫度，不同埋管半徑、埋管內(nèi)空氣流速組合條件下，得到沿管長方向該土壤-空氣換熱器的冷卻能力變化趨勢，評價(jià)指標(biāo)包括:出口溫度Tout、制冷量q及冷卻效率η.并通過工程應(yīng)用舉例進(jìn)一步說明該冷卻新風(fēng)系統(tǒng)在贛州地區(qū)推廣技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行.

1 地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)簡介

如圖1，地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)口、地下埋管及地下空間部分、出風(fēng)口三部分組成.進(jìn)風(fēng)口的下緣距室外地坪不宜小于2 m，當(dāng)設(shè)在綠化地帶時(shí)，不宜小于1 m，以減少灰塵及污染物的吸入[8].在進(jìn)風(fēng)口處安裝過濾器，以保證清潔的空氣在土壤-空氣換熱器和地下空間內(nèi)充分吸收土壤能，出風(fēng)口則根據(jù)地上建筑使用功能的不同進(jìn)行布置.地下埋管部分是該新風(fēng)系統(tǒng)中核心的部分，室外新風(fēng)經(jīng)過地下埋管時(shí)通過管壁與土壤進(jìn)行換熱，系統(tǒng)的性能直接取決于土壤與空氣間接換熱的效果.

該系統(tǒng)的優(yōu)勢較明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面:①利用土壤能作為天然冷源，取之不盡用之不竭，運(yùn)行費(fèi)用低.②系統(tǒng)形式簡便，主體運(yùn)動部件少，故維修量小.③投資小，需要占用一部分地下空間，更適用于建筑密度低的村鎮(zhèn)地區(qū).

圖1 地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)原理圖

2 理論分析

2.1 系統(tǒng)冷源溫度

根據(jù)傳熱學(xué)理論，土壤可以被看作是一半無限大介質(zhì)，其熱量傳遞過程相當(dāng)于半無限大物體在周期性邊界條件作用下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程[9].在不同深度、不同時(shí)刻下的土壤溫度場的理論計(jì)算模型[10]:

式(1)中:x為土壤地面以下的深度(m);τ為溫度的計(jì)算時(shí)刻(h);t(x，τ)為地面下x米處，τ時(shí)刻的土壤溫度(℃);α為導(dǎo)溫系數(shù)，α=λ/pCp;λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃));p為土壤密度(kg/m3);Cp為土壤比熱(J/(kg·℃));tm為地表面平均溫度(℃);A為地表溫度波動的振幅(℃);T為波動周期(h)，T= 365×24=8760 h.

根據(jù)贛州地區(qū)土壤物性參數(shù)[11]，贛州地區(qū)年平均溫度為21℃，即地面平均溫度tm=21℃，地表溫度波動的振幅A=±14.1℃，土壤的導(dǎo)溫系數(shù)約為α=9.16×10-7m2/s，年波動周期T=365×24=8760 h，根據(jù)式(1)可利MATLAB軟件計(jì)算出贛州地區(qū)土壤初始溫度隨時(shí)間、深度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖2所示.

圖2 贛州土壤初始溫度隨時(shí)間、深度的變化

2.2 降溫能力分析

土壤-空氣換熱器換熱量計(jì)算公式如下:

式(2)中:q為換熱量(W);p為空氣密度(kg/m3);G為新風(fēng)風(fēng)量(m3/h);Cp為空氣比熱(kJ/(kg·K));Tin、Tout分別為換熱器進(jìn)出口的空氣溫度(℃).

土壤-空氣換熱器的冷卻效率(η)的定義為:

式(3)中:Ts為換熱器周圍土壤初始計(jì)算溫度.

土壤-空氣換熱器冷卻終溫計(jì)算公式的推導(dǎo)如下，推導(dǎo)過程僅考慮空氣與土壤壁面的傳熱，不考慮埋管內(nèi)水蒸氣及凝結(jié)水[12].圖3是室外新風(fēng)流經(jīng)地下埋管冷卻終溫計(jì)算模型.

如圖3所示，埋管長取L(m)，流過的空氣量取為G(kg/h)，在埋管長度方向上取一微元長度dx (m)，其所對應(yīng)的埋管面積為dF(m2)，換熱器入口空氣溫度為Tin(℃)，經(jīng)過換熱器冷卻的終點(diǎn)空氣溫度為Tout(℃)，空氣溫度在換熱器dx處的為tx，空氣通過dx的溫度變化dtx.地下埋管周圍土壤初始計(jì)算溫度為Ts(℃).土壤-空氣換熱器換熱推導(dǎo)過程僅考慮空氣與土壤壁面的傳熱，整個(gè)換熱過程遵從熱量平衡原理，空氣通過dx后的含熱量變化數(shù)值，應(yīng)等于埋管壁面dF的熱流量，故可建立微分方程即:

圖3 室外新風(fēng)流經(jīng)地下埋管冷卻終溫計(jì)算模型

式(4)中:Cp為入口新風(fēng)空氣比熱，計(jì)算時(shí)其可近似為定值.K為地下埋管內(nèi)壁面不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，其計(jì)算公式[13-14]如式(5):

式(5)中:h為空氣與地道壁面的對流換熱系數(shù)(W/ (m2·K))，空氣與埋管壁面之間的對流換熱過程屬于管內(nèi)紊流強(qiáng)迫對流換熱過程，管內(nèi)流動空氣的雷諾數(shù)Re一般都在104到2×105之間[9].α為土壤導(dǎo)溫系數(shù)(m2/s)，τ為時(shí)間(s).λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù)(W/ (m·K)).β為換熱器形狀修正系數(shù)，其計(jì)算公式如式(6):

式(6)中U為地下埋管斷面周界長度(m).

值得注意的是，對于不穩(wěn)定傳熱過程，這個(gè)當(dāng)量傳熱壁厚是時(shí)間τ的函數(shù)，不是一個(gè)定值，而是隨著時(shí)間的變化而改變.預(yù)測土壤-空氣換熱器出口溫度時(shí)，土壤初始計(jì)算溫度Ts隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)而變化特性并不影響數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，該因素變化的影響藕合在當(dāng)量傳熱壁厚δx中，計(jì)算分析時(shí)已知地下埋管周圍土壤初始計(jì)算溫度Ts即可.

同時(shí)對式(4)整理和兩邊積分，得到:

那么，整理式(5)可以得到經(jīng)過空氣-土壤換熱器冷卻終點(diǎn)溫度Tout的計(jì)算公式:

值得注意的是在研究過程中，即在利用式(4)～式(9)計(jì)算地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)土壤-空氣換熱器換熱過程時(shí)，對上述計(jì)算公式進(jìn)行了以下幾點(diǎn)說明:①在計(jì)算過程中，忽略了地埋管管壁的導(dǎo)熱熱阻.②計(jì)算模型中各個(gè)參數(shù)均選取為地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際尺寸參數(shù).③計(jì)算模型中土壤初始計(jì)算溫度、當(dāng)量傳熱壁厚和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)都替代為地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)中土壤-空氣換熱器周圍土壤的初始溫度、土壤的當(dāng)量傳熱壁厚及贛州地區(qū)土壤的物性參數(shù).

2.3 計(jì)算條件

該地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)位于贛州市，贛州全年溫度一般在7月份日最高、低氣溫均達(dá)到全年最大值，如圖4贛州最熱月(7月份)溫度曲線所示，氣象數(shù)據(jù)來源DeST模擬贛州氣象信息結(jié)果報(bào)表.

圖4 贛州最熱月(7月份)溫度曲線

如表1所示，贛州7月份日平均溫度最大為31.6℃，日平均溫度最小為25.6℃.那么為了理論分析預(yù)測贛州地區(qū)地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)冷卻能力，選取土壤-空氣換熱器入口新風(fēng)溫度30℃為換熱器冷卻終溫計(jì)算初始條件具有代表性.

表1 贛州最熱月7月份日平均溫度

地下埋管半徑取0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m，埋管總長為200 m，埋管內(nèi)空氣流速為2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s.埋管深度取6 m，由圖2可以得到地下深度為6 m時(shí)，該深度土壤溫度維持在20.5℃左右，故以此溫度為該新風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算冷源溫度.

溫度為30℃的空氣相關(guān)參數(shù):密度1.237 kg/m3，比熱1.005 kJ/(kg·K)，運(yùn)動粘度16.155×10-6m2/s，導(dǎo)熱系數(shù)0.025 W/(m·K).

贛州地區(qū)土壤物性參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù)1.75W/(m·K)，土壤導(dǎo)溫系數(shù)為9.16×10-7m2/s.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 土壤－空氣換熱器傳熱系數(shù)

地下埋管內(nèi)壁面的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)的大小是評價(jià)土壤-空氣換熱器換熱性能重要的因素之一，其數(shù)值大小在任何計(jì)算時(shí)刻為定值.選取埋管半徑分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行8 h對其傳熱系數(shù)K值進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間傳熱系數(shù)對傳熱系數(shù)的影響

由圖5可知，埋管半徑不同，隨著換熱器運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)，K值變化規(guī)律一致，都表現(xiàn)出遞減的趨勢.任何運(yùn)行時(shí)刻，埋管半徑越小，傳熱系數(shù)越大，當(dāng)r=0.1 m，τ=1 h時(shí)，K值為17.7(W/m2·K);當(dāng)r=0.5 m，τ=1 h時(shí)，K值僅為5.4(W/m2·K).相同的計(jì)算管徑，K值隨著換熱器運(yùn)行時(shí)間持續(xù)衰減的梯度呈現(xiàn)先大后小的規(guī)律.因此，為了使土壤-空氣換熱器一直處于高效的運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)該冷卻新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式時(shí)，建議系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行的方式，這可以保證運(yùn)行時(shí)傳熱系數(shù)K值處于相對較高范圍.

3.2 埋管管徑、埋管內(nèi)空氣流速對系統(tǒng)出口溫度的影響

地下埋管管徑、管內(nèi)空氣流速影響著空氣與土壤間的換熱量，而且對空氣在管內(nèi)的流態(tài)與換熱有較大影響，從而影響土壤-空氣換熱器出口的空氣溫度的變化.圖6分別為固定埋管半徑r為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m，管內(nèi)流速v分別為2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s系統(tǒng)出口溫度沿管長增長方向變化趨勢計(jì)算結(jié)果.

圖6 管內(nèi)流速對系統(tǒng)出口溫度的影響

分析圖6可知，隨著管長的增加，換熱器出口溫度呈現(xiàn)一致的降低趨勢;流速相同時(shí)，埋管半徑越小，相同計(jì)算管長換熱器出口溫度越低;當(dāng)埋管半徑相同時(shí)，相同計(jì)算管長，管內(nèi)空氣流速增加，換熱器出口溫度升高，例如計(jì)算管長達(dá)到200 m時(shí)，管徑為0.1 m時(shí)，不同流速下出口溫度變化范圍為21.1℃到21.7℃，管徑為0.2 m時(shí)，不同流速下出口溫度變化范圍為22.2℃到25.1℃，管徑為0.3 m時(shí)，不同流速下出口溫度變化范圍為24.2℃到26.9℃，管徑為0.4 m時(shí)，不同流速下出口溫度變化范圍為25.7℃到27.9℃;因此小管徑、低流速、相同計(jì)算管長，換熱器出口溫度更低，該系統(tǒng)降溫能力更強(qiáng).

以26℃為室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度，為了使土壤-空氣換熱器出口處達(dá)到26℃的要求，換熱器埋管半徑和管內(nèi)流速組合不同，所需埋管長度不同.由圖6(d)可知:當(dāng)埋管半徑0.4 m，管內(nèi)流速為3m/s時(shí)，為了達(dá)到出口溫度要求，所需埋管長度大于200 m，管內(nèi)流速為2 m/s時(shí)，埋管長度僅為140 m，故大管徑、低流速參數(shù)組合可減少地下埋管長度;由圖6(a)可知:當(dāng)埋管半徑0.1 m，管內(nèi)流速為5 m/s時(shí)，為了達(dá)到出口溫度要求，所需埋管長度為40 m，當(dāng)管內(nèi)流速為2 m/s時(shí)，埋管長度僅為15 m，因此小管徑、高流速的參數(shù)組合同樣對減少埋管長度對是有利的;但地下埋管半徑不宜大于0.4 m，否則如圖6(d)所示，出口溫度沿著管長方向變化曲線的斜率較埋管半徑為0.1 m、0.2 m、0.3 m時(shí)減小，說明空氣溫度的降低幅度隨管長的增加變緩，空氣在管內(nèi)吸收土壤能的能力減弱，為達(dá)到出口溫度26℃要求，當(dāng)管內(nèi)流速為3 m/s時(shí)，埋管管長已經(jīng)超過200 m，因此當(dāng)埋管半徑更大時(shí)，則需要更長的埋管管長，增加地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)的造價(jià).

4 工程應(yīng)用舉例

4.1 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況及設(shè)計(jì)方案

贛州某村鎮(zhèn)小型辦公建筑，建筑面積300 m2，對辦公大廳進(jìn)行新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單位人員最小新風(fēng)量為30 m3/h，選取新風(fēng)量900 m3/h即可滿足衛(wèi)生和舒適性要求，新風(fēng)系統(tǒng)方案擬采用地下埋管新風(fēng)系統(tǒng).該新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)地點(diǎn)位于江西省贛州市，根據(jù)文獻(xiàn)[15]查得贛州市各項(xiàng)室外空氣計(jì)算參數(shù)，可知贛州夏季通風(fēng)計(jì)算溫度為33.2℃，故建立的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)入口空氣溫度應(yīng)取33.2℃，且經(jīng)過計(jì)算該新風(fēng)系統(tǒng)需承擔(dān)的新風(fēng)顯熱冷負(fù)荷為2.02 kW.

根據(jù)地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)冷卻終溫計(jì)算模型，在入口溫度33.2℃基礎(chǔ)上采用MATLAB軟件計(jì)算各埋管管徑和管內(nèi)流速參數(shù)組合下系統(tǒng)的出口溫度.根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終選取埋管半徑0.2 m、管內(nèi)空氣流速3 m/s、埋管長度120 m、埋設(shè)深度為地下6 m，系統(tǒng)出口溫度即可達(dá)到設(shè)計(jì)通風(fēng)溫度要求(26℃).新風(fēng)系統(tǒng)選用離心式風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量1200 m3/h，額定功率0.85 kW，全壓500 Pa，采用間歇運(yùn)行模式，運(yùn)行時(shí)間為8:00—16:00.

4.2 新風(fēng)系統(tǒng)額定制冷量和冷卻效率

圖7、圖8分別為所選地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案額定制冷量、冷卻效率與管長的關(guān)系.

圖7 管長與制冷量關(guān)系

圖8 管長與冷卻效率關(guān)系

由圖7可知，地下埋管長為120 m時(shí)，系統(tǒng)可以持續(xù)提供2.06 kW冷量，滿足系統(tǒng)新風(fēng)負(fù)荷要求，且沿著埋管前進(jìn)方向，埋管內(nèi)空氣吸收土壤能的能力降低，空氣與土壤之間換熱溫差逐漸減小是導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因.由圖8可知，埋管長為120 m時(shí)，系統(tǒng)制冷效率值為55.3%，且隨著管長的增加，換熱器的冷卻效率在增加，但增加的幅度呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律，管長180 m處開始換熱器冷卻效率隨管長增加(每20 m)幅度僅為5%，如果此時(shí)再通過增加管長來增加系統(tǒng)冷卻效率是不合理的，因此建議單根埋管長度不宜超過180 m，管長為180 m時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)冷卻效率為70.1%，對于利用土壤能地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)此效率值是可以接受的.

4.3 新風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

實(shí)際通風(fēng)空調(diào)工程中，有些工程的初投資低但運(yùn)行費(fèi)用高，而有一些工程初投資高但運(yùn)行費(fèi)用較低，故假如只從工程初投資或者運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析，是不能直觀反映出系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣勢的.因此評價(jià)地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)采用靜態(tài)投資回收期計(jì)算法，即同時(shí)考慮到系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用因素計(jì)算出投資回收期，該評價(jià)方法經(jīng)濟(jì)意義明確且直觀反映系統(tǒng)投資價(jià)值.靜態(tài)投資回收期計(jì)算方法如下.

式(10)中:ΔK為擬建系統(tǒng)增加的初投資(元)，Ke為擬建新風(fēng)系統(tǒng)的初投資 (元)，Kc為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的初投資(元).

式(11)中:ΔR為擬建系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用(元)，Re為擬建系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用 (元)，Rc為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的年運(yùn)行總費(fèi)用(元).

式(12)中:Pt為靜態(tài)投資回收期(年).

下面由式(10)、(11)、(12)對該擬建地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算投資回收期.根據(jù)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及江西省贛州市供電局的提供的商業(yè)用戶電價(jià)為1.2元/kWh，經(jīng)計(jì)算得到:擬建地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)總初投資為11500元、夏季運(yùn)行費(fèi)用為979元，擬建系統(tǒng)增加的初投資為1900元，擬建系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用為771.5元，靜態(tài)投資回收期為2.46年.由此可得，利用可再生天然冷源的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)投資回收期較短，與傳統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組能耗相比節(jié)省了冷源部分電耗，運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度都具有實(shí)際推廣意義.

5 結(jié) 論

1)贛州地區(qū)地下土壤深度超過5 m時(shí)，土壤溫度基本穩(wěn)定在20.5℃，在該冷源溫度下，系統(tǒng)對新風(fēng)的冷卻能力明顯.

2)雷諾數(shù)Re在紊流范圍內(nèi)時(shí)，傳熱系數(shù)K隨著系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間持續(xù)或埋管半徑的增加呈現(xiàn)遞減趨勢.系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行模式有利于傳熱系數(shù)K處于較高的范圍內(nèi)，以此保證土壤-空氣換熱器冷卻能力.

3)相同地下埋管管長，小管徑、低流速可以使得換熱器出口溫度更低，該系統(tǒng)降溫能力更強(qiáng).為了使換熱器出口溫度達(dá)到規(guī)定要求，同時(shí)為了滿足新風(fēng)量要求，大管徑、低流速參數(shù)組合或者小管徑、高流速的參數(shù)組合可減少埋管埋設(shè)長度，但埋管半徑應(yīng)控制在0.4 m范圍以內(nèi)，否則不利于空氣在埋管內(nèi)充分吸收土壤能，導(dǎo)致管長過大，增加新風(fēng)系統(tǒng)初投資.

4)工程應(yīng)用舉例表明，該新風(fēng)系統(tǒng)可以持續(xù)提供冷量，沿著埋管前進(jìn)方向，埋管內(nèi)空氣吸收土壤能的能力降低，冷卻效率隨著埋管管長的增加而增加，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期短、運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，利用可再生天然冷源的地下埋管新風(fēng)系統(tǒng)具有實(shí)際推廣意義.

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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

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(20132BBG70024);江西省教育廳基金項(xiàng)目(2014GJJ14463)

石發(fā)恩(1976- )，男，副教授，主要從事能源應(yīng)用與節(jié)約、大氣污染控制等方面的研究，E-mail:gaosongtaolucky@163.com.