土壤蓄能技術(shù)在工程中的應(yīng)用

魯曉州

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

自1991年起，我國平均每年完成的建筑面積均在10 億m2以上，這些建筑絕大多數(shù)在使用空調(diào)。目前，我國建筑能耗已占到全國能源消耗總量的30 %，而在建筑能耗中，空調(diào)能耗占到近60 %。尋求新的環(huán)保節(jié)能型空調(diào)方式已經(jīng)迫在眉睫，刻不容緩。黨中央國務(wù)院對此問題十分重視，指出必須下大氣力抓好節(jié)約能源的工作，這事關(guān)現(xiàn)代化建設(shè)進程和國家安全。2006年建設(shè)部頒發(fā)國標(biāo)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，進一步規(guī)范了節(jié)能要求。2021年更是提出碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，對節(jié)能減排有了更高的要求。

1 土壤蓄能技術(shù)

土壤有巨大的蓄冷蓄熱能力，是天然環(huán)?？稍偕茉?，如何利用這一能源，國內(nèi)外一直在研究。

土壤蓄能技術(shù)，又稱地道通風(fēng)降溫，是近幾十年來發(fā)展起來的1門新技術(shù)，指利用地道冷卻空氣，然后通過機械送風(fēng)或誘導(dǎo)式通風(fēng)系統(tǒng)送至地面上的建筑物，達到降溫目的的1種專門技術(shù)。土壤蓄能技術(shù)的系統(tǒng)由3部分組成：①進風(fēng)口部：應(yīng)設(shè)過濾器并使進風(fēng)口安裝高度在距地2 m以上，保證取風(fēng)清潔；②地下埋管，即土壤空氣換熱器，是土壤換熱的重要部分，室外新風(fēng)通過埋管和土壤進行能量交換；③出風(fēng)口部，把冷卻的清潔空氣送到室內(nèi)，滿足人員環(huán)境要求。土壤空氣換熱示意圖見圖1。

圖1 土壤空氣換熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of air heat transfer in soil

2 土壤蓄能地道風(fēng)降溫技術(shù)的數(shù)值模擬分析

地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱過程是通過空氣與地下埋管及周邊土壤之間的熱交換實現(xiàn)的，并且受到外界氣象條件和系統(tǒng)實際運行情況的影響。清華大學(xué)開發(fā)的“逐時氣象生成系統(tǒng)，建立了地道準(zhǔn)三維傳熱模型，通過對模擬計算結(jié)果進行分析，得出各種因素是如何對地道降溫造成影響。其結(jié)果可用于指導(dǎo)工程設(shè)計。該模型由模擬地道降溫過程的二維非穩(wěn)態(tài)土壤傳熱模型和一維流體傳熱模型組成。

2.1 地道長度的影響

地道長度是地道風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計中的重要參數(shù)，文中分別模擬了地道長度為50 m、100 m、200 m和300 m的工況。地道中心埋深為3.5 m，地道內(nèi)風(fēng)速保持3 m/s。隨著地道長度的增加，土壤對通過地道空氣的冷卻作用增強，地道平均出風(fēng)溫度降低，見圖2；若采用地道風(fēng)系統(tǒng)作為建筑物的冷源，室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度按26 ℃計算，地道風(fēng)所能提供的冷量，見圖3。

圖2 地道長度對地道出風(fēng)溫度的影響Fig.2 Effect of tunnel length on outlet air temperature

圖3 地道長度對地道風(fēng)提供冷量的影響Fig.3 Effect of tunnel length on cooling capacity from tunnel wind

地道越長，系統(tǒng)提供冷量的能力越穩(wěn)定，反之地道越短，系統(tǒng)冷卻能力隨著室外溫度變化的幅度就越大。當(dāng)室外溫度較高時，短地道此時由于出風(fēng)溫度升高的幅度較大，所能提供的冷量較少，地道風(fēng)降溫系統(tǒng)的冷卻效果較差。

2.2 地道埋深的影響

地道埋深是地道風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計中另一個需要考慮的重要參數(shù)，在其他參數(shù)保持不變的情況下，模擬不同地道埋深對地道出風(fēng)溫度的影響，地道中心埋深分別為1.5 m，2.5 m，3.5 m和5.5 m，地道長度為200 m。實驗顯示隨著地道深度的增加，由于地層溫度波動幅度減小，夏季深層土壤溫度較低，地道出口風(fēng)溫隨之下降，系統(tǒng)的冷卻能力上升。但工程上也不是埋管越深越好。因為：①超過4 m后埋管深度對出風(fēng)溫度的影響變化減?。虎诼窆苓^深會增加工程造價。所以在工程設(shè)計時埋深一般不超過4 m。

2.3 地道內(nèi)風(fēng)速的影響

地道風(fēng)速直接影響著2個重要參數(shù)：地道降溫系統(tǒng)壁面的對流換熱系數(shù)和地道風(fēng)的風(fēng)機選型所必需的設(shè)計風(fēng)量。

由于地道風(fēng)系統(tǒng)提供的冷量Q=CG△T.即與送風(fēng)溫差△T和系統(tǒng)風(fēng)量G成正比。當(dāng)?shù)氐纼?nèi)風(fēng)速較低時，土壤和空氣能量交換時間充分，地道風(fēng)進出口溫差大。但風(fēng)速低同時導(dǎo)致質(zhì)量流量G較小，引起冷量Q值較??；當(dāng)?shù)氐纼?nèi)的風(fēng)速增加，Q值也增加，但是當(dāng)?shù)氐纼?nèi)風(fēng)速繼續(xù)增加，土壤和和空氣進行能量交換時間縮短，交換效率降低，Q減小。所以必然存在一個最優(yōu)風(fēng)速，平衡了風(fēng)量和能量交換時間的關(guān)系，地道風(fēng)在該風(fēng)速下提供的冷量最大。同時地道長度越長，地道風(fēng)停留的時間相對越多，此時風(fēng)速可以適當(dāng)提高，以便獲得更多的冷量和風(fēng)量。

2.4 多根埋管管間距對地道降溫能力的影響

由于不同地道之間溫度場相互影響，采用多根平行埋管土壤的溫度分布和單管敷設(shè)時呈現(xiàn)不同的特點。將單根地道和兩根地道間距1 m、3 m工況，地道200 m長，地道內(nèi)風(fēng)速為3 m/s做對比。由圖可見，2管運行時出口風(fēng)溫高于單管運行時0.5～1 ℃。出口風(fēng)溫的升高導(dǎo)致地道提供冷量能力的下降。經(jīng)計算，單管運行時，地道大約能提供9.2 kW冷量；間距3 m的雙管運行時，每根地道只能提供7.9 kW；間距1 m運行時，甚至只能提供5.7 kW的冷量。在多根埋管地道設(shè)計中，由于不同地道之間溫度場相互影響，地道提供總冷量會有衰減，并不是單管冷量的簡單疊加，這點設(shè)計時一定要注意，見圖4～7。

圖4 單管土壤橫截面溫度場分布Fig.4 Temperature distribution of soil cross section with single tube

圖5 管間距對地道降溫能力的影響Fig.5 Effect of pipe spacing on cooling capacity

圖6 土壤橫截面溫度場分布(雙管間距1 m)Fig.6 Temperature distribution of soil cross section(distance between two pipes 1m)

圖7 土壤橫截面溫度場分布(雙管間距3 m)Fig.7 Temperature distribution of soil cross section(distance between two pipes 3m)

地道風(fēng)降溫系統(tǒng)在商用建筑中應(yīng)用時，系統(tǒng)只在建筑物使用時段內(nèi)運行，即采用日間歇的運行方式。間歇運行時，地道出風(fēng)溫度比連續(xù)運行時約低1 ℃。這是由于間歇運行相當(dāng)于減少了地道總運行時間，使地道附近土壤溫度不致增加的過快的緣故。

3 地道風(fēng)降溫的若干工程實際問題

地道風(fēng)的降溫效果跟地層的原始溫度關(guān)系密切，全國各地地溫相差較大，這使得各地做地道風(fēng)降溫要根據(jù)氣象資料不同特點，因地制宜，做不同的技術(shù)處理。

由于地道風(fēng)受外界因素影響較大，不可能像人工冷源那樣，獲得較低的出風(fēng)溫度，這時就應(yīng)更加關(guān)注和人體舒適感覺相關(guān)的其它空氣參數(shù)，如空氣流速，相對濕度及室內(nèi)外空氣溫差。如果控制好了這些參數(shù)，再加上良好的氣流組織，即使出風(fēng)溫度稍高一點，也可獲得滿意的降溫效果，這也是現(xiàn)代空調(diào)回歸自然的一種方式吧，不像以往的人工制冷傳統(tǒng)空調(diào)，片面依賴溫度來達到降溫效果，而忽略了其它一些重要因素。

利用地道通風(fēng)降溫的建筑，其圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的熱工特性，有可供埋管的場地，所以一般博物館、影劇院比較合適。并且為增加換熱效果，室內(nèi)一般配有自然、機械、生態(tài)通風(fēng)方式。

由于熱空氣與地道進行熱交換時，地道壁體會有熱量積存，影響換熱。因此，間歇運行，可以使地道有一個蓄能恢復(fù)過程，有利于提高降溫效果。

地道長期不用，空氣肯定不如室外空氣新鮮，送入室內(nèi)會造成室內(nèi)空氣污染，如何避免這一問題呢？設(shè)計時，可以設(shè)置一個排氣吹掃管口，送風(fēng)前先對管道進行吹掃。這樣，室內(nèi)空氣便不再有霉味，可創(chuàng)造一個舒適的空調(diào)環(huán)境。

所以，我們在進行地道降溫設(shè)計時，首先要分析當(dāng)?shù)貧庀髼l件和地質(zhì)資料，確保溫度能降下來，并且地道不受污染。另外地道設(shè)適當(dāng)坡度，及時排除凝水以保正地道內(nèi)清潔。地道管經(jīng)選擇1.5 m左右，這樣可以對其進行必要的人工清掃，清毒等處理，加強管理，保證地道風(fēng)的清潔舒適。

地道風(fēng)降溫工程一般要求低，無需作復(fù)雜計算，計算時按室外通風(fēng)計算溫度進行計算即可。大空間的送風(fēng)方式宜采用地面或下送風(fēng)方式，這樣只保證人員活動的2 m以內(nèi)范圍有良好的降溫效果，可大大節(jié)省能量。

關(guān)于風(fēng)機的設(shè)置位置，一般淺地下室布置通風(fēng)機房，這樣維護方便，噪音小，不占用地面有效面積，有利于蓄能降溫。

地道風(fēng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計不同，工程設(shè)計時有些地方要特別注意：

首先運用地道降溫工程的建筑其圍護結(jié)構(gòu)必須有良好的熱工特性，以便降低負(fù)荷，這在設(shè)計之初就必須和建筑師溝通好，并協(xié)助建筑師作圍護結(jié)構(gòu)的熱工分析，確定合理的保溫材料，這一點在傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計往往被忽略。

在地道的設(shè)計上，還要注意及時排水，否則地道風(fēng)會有霉味，再者設(shè)置吹掃口，間歇運行前先對地道進行吹掃，以保證室內(nèi)新鮮空氣的供給。

地道風(fēng)天然環(huán)?？稍偕?，零排放。土壤蓄能地道風(fēng)降溫技術(shù)溫因其投資低，耗能低，低碳環(huán)保，在當(dāng)今國家碳達峰，碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)下，必將越來越受到人們的重視，在更多的工程中得到應(yīng)用，在空調(diào)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)能減排中做出自己的貢獻。

4 結(jié) 語

(1)埋管長度增加，能量交換時間充分，系統(tǒng)換熱效率提高；

(2)半徑在一定值內(nèi)增加，風(fēng)量增加，換熱量增加，但到達一個臨界值后，由于管心空氣距離土壤層距離增大，換熱效率降低導(dǎo)致?lián)Q熱量下降；

(3)埋管深度4 m以內(nèi)，越深由于土壤與地面溫差越大，所以換熱效果越強，但超過4 m溫度場逐步趨于穩(wěn)定，埋深對換熱影響減小，且造價增加，故管道埋深不宜超過4米；

(4)管間距的增加會加強換熱效果；

(5)設(shè)計時要考慮土壤冬季放熱與夏季吸熱的熱平衡問題，否則交換效率降低。