嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)式建筑地道風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用分析

陳旭 孫金棟 張雨銘 李靜 史思陽 李明月

北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

被動(dòng)式低能耗建筑在國內(nèi)發(fā)展快速[1]，被動(dòng)式低能耗建筑要求設(shè)置帶有高效熱回收裝置的通風(fēng)系統(tǒng)，冬季室內(nèi)送風(fēng)口出風(fēng)溫度不得低于16 ℃[2-3]。對(duì)于我國廣大面積的嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，冬季匹配新風(fēng)需進(jìn)行預(yù)熱才能滿足送風(fēng)口出風(fēng)溫度要求。目前常采用的新風(fēng)預(yù)熱方式以地源熱泵及空氣源熱泵為主。利用天然地層蓄熱（冷）性能的地道風(fēng)系統(tǒng)預(yù)熱新風(fēng)，具有更好的節(jié)能效果和環(huán)保效益[4]。劉遠(yuǎn)祿等[5]對(duì)武漢工業(yè)廠房地道風(fēng)系統(tǒng)地道長度及地道通風(fēng)量進(jìn)行研究及優(yōu)化，得到該地區(qū)地道長度及埋深最優(yōu)值。賈玲玉等[6-7]對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)物理模型進(jìn)行了簡化，建立了動(dòng)態(tài)換熱模型。張敏等[8]計(jì)算了地鐵車站地道風(fēng)系統(tǒng)逐時(shí)換熱量，分析了該系統(tǒng)的節(jié)能性。筆者參與了被動(dòng)式低能耗建筑北京焦化廠居住小區(qū)項(xiàng)目和山西大同科技館項(xiàng)目地道風(fēng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，本文基于對(duì)哈爾濱某項(xiàng)目地道風(fēng)的理論分析，研究嚴(yán)寒地區(qū)地道風(fēng)影響因素，并給出合理的地道風(fēng)管道數(shù)量及埋深。

1 地道風(fēng)系統(tǒng)簡介

地道風(fēng)系統(tǒng)是指利用土壤中的地?zé)崮苋ダ鋮s或加熱室外空氣，并由通風(fēng)裝置將處理過后的空氣再送 入室內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)，改善室內(nèi)熱濕環(huán)境。在嚴(yán)寒地區(qū)通過地道系統(tǒng)預(yù)熱新風(fēng)，還可防止新風(fēng)機(jī)組出現(xiàn)結(jié)霜等現(xiàn)象[10]。被動(dòng)式低能耗建筑中地道風(fēng)系統(tǒng)及新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖1。

圖1 被動(dòng)式低能耗建筑中地道風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

冬季，室外空氣溫度低于地道壁面溫度，新風(fēng)流經(jīng)地道時(shí)，空氣逐漸被地道壁面加熱。若忽略地道壁面的自然析水，隨著地道長度的增加，空氣的干球溫度逐漸上升，含濕量不變，相對(duì)濕度逐漸減小，新風(fēng)在地道內(nèi)的加熱過程可近似認(rèn)為等濕加熱過程。

夏季，室外空氣溫度高于地道壁面溫度，新風(fēng)流經(jīng)地道時(shí)，空氣逐漸被地道壁面冷卻。若忽略地道壁面的自然析水，隨著地道長度的增加，空氣的干球溫度逐漸下降，相對(duì)濕度逐漸增大，含濕量基本不變，實(shí)現(xiàn)等濕冷卻過程。當(dāng)?shù)氐辣诿鏈囟鹊陀诳諝饴饵c(diǎn)溫度時(shí)，將會(huì)在地道壁面產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，空氣含濕量減小，實(shí)現(xiàn)減濕冷卻過程。

2 土壤溫度分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]、[13]，不同深度地層土壤溫度計(jì)算宜采用當(dāng)?shù)氐膶?shí)際數(shù)據(jù)。當(dāng)無相應(yīng)測試數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：y為土壤深度，m ；t(τ,y)為土壤深度y在某一時(shí)刻時(shí)的原始溫度，℃ ；t0為土壤表面全年平均溫度，該溫度等于全年年平均氣溫，℃；Ad為土壤表面溫度的全年波動(dòng)幅度，℃；w為溫度波動(dòng)的頻率，rad/h；a為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；tmax為全年氣溫最高溫度，℃；tmin為全年氣溫最低溫度，℃；Z為溫度波動(dòng)的周期，h。

以哈爾濱地區(qū)作為嚴(yán)寒地區(qū)代表城市進(jìn)行研究。哈爾濱地區(qū)氣溫及土壤等相關(guān)參數(shù)如下：全年最高溫度為 29.2 ℃，全年最低溫度tmin為-22.8 ℃，全年年平均地面溫度t0為 5.38 ℃，全年地面溫度波幅Ad為 26 ℃，土壤導(dǎo)溫系數(shù)a為0.0037 m2/h，溫度波動(dòng)周期Z為8760 h（以一年為計(jì)算周期）。

經(jīng)計(jì)算，哈爾濱地區(qū)典型月份夏季 7 月和冬季 1 月不同深度地層土壤溫度如表1。

表1 哈爾濱地區(qū)7 月及1 月不同深度土壤溫度（1～10 m）

由表1 計(jì)算結(jié)果，可以得到：夏季7 月（最熱月份）和冬季 1 月（最冷月份），地表土壤溫度全年波動(dòng)幅度較大。

改變式（1）中溫度波動(dòng)頻率，經(jīng)計(jì)算哈爾濱地區(qū)土壤溫度隨深度及月份變化圖如圖2、圖3。

圖2 不同月份下土壤溫度隨土壤深度變化圖

由圖2 和圖3 及計(jì)算結(jié)果，可以得到：

圖3 不同土壤深度下土壤溫度隨月份變化圖

1）在土壤深度小于16 m 時(shí)，土壤溫度受地表溫度 變化影響存在波動(dòng)，屬于淺層土壤。在土壤深度大于 16 m 時(shí)，土壤溫度基本處于穩(wěn)定，不再受地表溫度變化影響，屬于深層土壤。

2）在淺層土壤范圍，土壤溫度受地表溫度及全年周期影響存在延遲時(shí)間，延遲時(shí)間與土壤深度有關(guān)，土壤深度越深，延遲時(shí)間越長。在土壤深度6～15 m 區(qū)間，哈爾濱地區(qū)冬季1 月份土壤溫度高于夏季7 月份土壤溫度。在土壤深度 6～9 m 區(qū)間，夏季土壤溫度最低，冬季溫度最高，且開挖深度較淺利于降低開挖成本，因此，哈爾濱地區(qū)地道風(fēng)埋管深度宜選擇在6～9 m 區(qū)間。

3 地道風(fēng)系統(tǒng)換熱理論

3.1 傳熱系數(shù)

在送風(fēng)量一定時(shí)，風(fēng)速隨著管道直徑的變化而變化，雷諾數(shù)及管道內(nèi)氣流與管壁之間的傳熱系數(shù)發(fā)生變化。管道內(nèi)氣流與管壁之間的傳熱系數(shù)[12]按式（4）、式（5）計(jì)算（若空氣流速小于1 m/s，則傳熱系數(shù)按數(shù)值為5.8056 W/(m·K)考慮）。

式中：h為管道內(nèi)氣流與管壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/ (m2·K)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；de為地道當(dāng)量管道直徑，m；Re 為雷諾數(shù)；v為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

地道風(fēng)系統(tǒng)綜合傳熱系數(shù)[11]按式（6）、式（7）計(jì)算。

式中：K為地道風(fēng)綜合傳熱系數(shù)，W/ (m2·K)；α為地道壁體導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；β為地道形狀修正系數(shù)；τ為供冷期連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，h；U為地道橫斷面周長，m。

3.2 地道風(fēng)出口溫度

地道風(fēng)出口溫度受空氣入口溫度，管道直徑，管道換熱面積及管道傳熱系數(shù)等因素影響，間歇運(yùn)行時(shí)按式（8）、式（9）計(jì)算[11]。

式中：t1為地道入口空氣溫度，℃；t2為埋管土壤層全年平均溫度，℃；t3為地道出口空氣溫度，℃；B為間歇運(yùn)行修正系數(shù)；K為地道風(fēng)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為地道換熱面積，m2；G為空氣質(zhì)量流量，kg/s；c為空氣定壓質(zhì)量比熱，J/(kg·K)；Ki為對(duì)應(yīng)每一通風(fēng)熱周期相應(yīng)計(jì)算時(shí)間的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；如每天通風(fēng) 10 小時(shí)，則τ0=10；τ1=24；τ2=24+10=34；τ3=48（小時(shí)）……；K0為初始換熱周期的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

4 地道風(fēng)系統(tǒng)影響因素

影響地道風(fēng)系統(tǒng)的因素有埋管深度、土壤溫度、管道長度、管徑、風(fēng)速、入口溫度、管道數(shù)量及管間距等，還要考慮施工作業(yè)范圍和施工成本的影響，比較復(fù)雜。本文主要結(jié)合哈爾濱某被動(dòng)式低能耗建筑地道風(fēng)系統(tǒng)項(xiàng)目，重點(diǎn)研究分析入口溫度、風(fēng)速、管道材質(zhì)、管道直徑及管道數(shù)量等因素對(duì)出口溫度的影響。

該項(xiàng)目為工廠改造項(xiàng)目，被動(dòng)式低能耗建筑設(shè)計(jì)，地道風(fēng)系統(tǒng)出口溫度0 ℃以上，埋管深度7 m，管道長度 100 m，新風(fēng)量 30000 m3/h，新風(fēng)入口風(fēng)速 2.65 m/s。地道采用鋼筋混凝土管和不銹鋼管進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 入口溫度變化的影響

在新風(fēng)入口風(fēng)速，管道直徑，管道數(shù)量及管長均不變的情況下，不同新風(fēng)入口溫度（新風(fēng)入口溫度從-20 ℃至0 ℃）下地道風(fēng)空氣出口溫度的變化具體如圖 4 所示。

由圖4，在僅改變新風(fēng)入口溫度的情況下，對(duì)于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風(fēng)出口溫度隨著新風(fēng)入口溫度提高而升高，呈線性變化。由于不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土管，采用不銹鋼管時(shí)地道風(fēng)出口溫度遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土管的出口溫度。即使在入口溫 度達(dá)到-20 ℃時(shí)，采用不銹鋼管也能夠滿足被動(dòng)式低能耗建筑地道風(fēng)系統(tǒng)出口溫度0 ℃以上的要求。

圖4 新風(fēng)入口溫度對(duì)地道風(fēng)出口溫度影響

4.2 新風(fēng)入口風(fēng)速變化的影響

在新風(fēng)入口溫度，管道直徑，管道數(shù)量及管長均不變的情況下，不同新風(fēng)入口風(fēng)速（新風(fēng)入口風(fēng)速從 0.5 m/s 至2.7 m/s）下地道風(fēng)空氣出口溫度的變化如圖 5 所示。

由圖5，在僅改變新風(fēng)入口風(fēng)速的情況下，對(duì)于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風(fēng)出口溫度隨著新風(fēng)入口風(fēng)速增大而降低。不銹鋼管對(duì)流換熱系數(shù)較高，故受新風(fēng)入口風(fēng)速影響較小。鋼筋混凝土管對(duì)流換熱系數(shù)較低，故受新風(fēng)入口風(fēng)速影響較大。

圖5 新風(fēng)入口風(fēng)速對(duì)地道風(fēng)空氣出口溫度影響

4.3 管道直徑變化的影響

在新風(fēng)入口溫度，新風(fēng)入口風(fēng)速，管道數(shù)量及管長均不變的情況下，不同管道直徑（管道直徑從 0.4 m 至1.4 m）下地道風(fēng)空氣出口溫度的變化如圖6 所示。

圖6 管道直徑對(duì)地道風(fēng)空氣出口溫度影響

由圖6，在僅改變管道直徑的情況下，對(duì)于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風(fēng)出口溫度隨著管道直徑增大而降低，呈下降趨勢。當(dāng)管道直徑大于1 m 時(shí)，不銹鋼管地道風(fēng)出口溫度都在0 ℃以下。但管道內(nèi)部中心氣流溫度受管道直徑影響較大，管道直徑過大時(shí)，中心氣流溫度降低。

4.4 管道數(shù)量變化的影響

在新風(fēng)入口溫度，新風(fēng)入口風(fēng)量，管道直徑及管長均不變的情況下，根據(jù)式（8）計(jì)算得出不同管道數(shù)量（管道數(shù)量從1 個(gè)至10 個(gè)）下地道風(fēng)空氣出口溫度的變化如圖7 所示。

圖7 管道數(shù)量對(duì)地道風(fēng)空氣出口溫度影響

由圖7，不銹鋼、鋼筋混凝土管道地道風(fēng)出口溫度均隨著管道數(shù)量的增多而升高，呈上升趨勢。當(dāng)管道數(shù)量較多時(shí)，換熱面積相應(yīng)增大，換熱量也隨之逐漸增大。多管道敷設(shè)時(shí)，還應(yīng)控制管道間距在2 m 以上，以防止管道對(duì)地道降溫能力的影響[14]。管道數(shù)量增加，不僅造成開挖工程量大幅增加，還造成原材料成本增加。因此，地道風(fēng)管道數(shù)量要根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合考量而定。

5 結(jié)論

以哈爾濱地區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)代表城市，通過對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)公式擬合計(jì)算，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)式建筑地道風(fēng)系統(tǒng)研究得到如下結(jié)論：

1）嚴(yán)寒地區(qū)地道風(fēng)系統(tǒng)埋深宜在6～9 m 范圍。

2）在嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)新風(fēng)入口溫度與土壤溫度形成大溫差時(shí)，宜采用地道風(fēng)系統(tǒng)較為適用。當(dāng)新風(fēng)入口溫度與土壤溫度形成大溫差時(shí)，建議管道采用不銹鋼為材料。當(dāng)新風(fēng)入口溫度與土壤溫度形成小溫差時(shí)，建議管道采用鋼筋混凝土為材料或停止運(yùn)行地道風(fēng)系統(tǒng)，避免地道風(fēng)系統(tǒng)所用離心式通風(fēng)機(jī)功耗增加。

3）在嚴(yán)寒地區(qū)，對(duì)于新風(fēng)入口風(fēng)速較小的地道風(fēng)系統(tǒng)，建議管道采用不銹鋼為材料。對(duì)于新風(fēng)入口風(fēng)速較大的地道風(fēng)系統(tǒng)，因鋼筋混凝土管受新風(fēng)入口風(fēng)速影響較大，建議管道采用鋼筋混凝土為材料。

4）在嚴(yán)寒地區(qū)，對(duì)于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風(fēng)采用較小管道直徑管道利于出口溫度提升，但管道直徑不宜超過1.6 m，否則工程開挖面積增大，工程成本增加。當(dāng)管道直徑為0.4～0.8 m 時(shí)，由于管內(nèi)風(fēng)速過快（風(fēng)速超過4 m/s），導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功耗過大且使得地道風(fēng)出口空氣升溫幅度趨于平緩，故嚴(yán)寒地區(qū)鋼筋混凝土管道直徑應(yīng)控制在0.8～1.6 m 范圍內(nèi)。

6）嚴(yán)寒地區(qū)管道數(shù)量應(yīng)控制在 3 根至 8 根范圍內(nèi)，否則管道及工程成本增加。