地道風系統的研究現狀及進展

張靜紅譚洪衛王亮

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

2010年，我國的建筑能耗（不含生物質能）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大，生活水平的不斷提高，總建筑能耗仍不斷上升。其中空調采暖能耗占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，減少有害物質的排放，以及充分利用可再生能源成為采暖空調領域發展的新要求。為實現節能減排的目標，將太陽能、地熱能等多種可再生能源應用到建筑中已成為通風空調領域的主要發展趨勢。其中地熱能是可再生能源中能與建筑較好結合的一種能源形式，已受到世界各國的廣泛關注。

作為可再生能源利用的一種簡單形式——地道風系統，早在公元3000年，雅典建筑師便將它結合風塔來為建筑供冷[1～2]。如今，由于結構簡單、能效高等優點，地道風系統被廣泛應用到建筑通風空調領域中，用于減少日益攀高的建筑能耗。本文主要對國內外地道風系統的研究現狀進行綜述。

1 地道風系統介紹

地道風系統（Earth to Air Heat Exchanger System，EAHES）是指利用蓄存在土壤中的地熱能（地下2.5～3m以下的土壤溫度保持恒定[3]）冷卻或加熱室外空氣（或室內回風），并由機械送風或誘導式通風將處理后的空氣送入室內，以改善室內熱環境。它相當于一臺土壤-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采暖負荷。

地道風系統由三部分組成：1）進風口部分；2）地埋管換熱部分；3）出風口部分。其中地道進風可以是全新風、部分新風或循環風。地埋管換熱部分，即土壤-空氣換熱器，是地道風系統的重要換熱部件，用于承擔建筑負荷。出風口部分根據建筑形式的不同，因地制宜。

圖1 地道風系統

目前，國內外對地道風系統的研究主要集中于換熱特性、系統性能和復合式技術三個方面。本文首先總結概括了地道風系統換熱特性的研究進展，然后歸納匯總了地道風系統性能影響因素的研究成果，最后介紹了四種與地道風系統相結合的復合式技術。

2 地道風系統換熱特性研究

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

2.1 實測方法

實測方法是研究地道風系統傳熱機理最直接、最準確的手段。

Mihalakakou[4]基于已有的大量地道風系統的實測數據，利用回歸分析法和單一變量法，建立地道長度、直徑、風速和埋深的因數關系式，便于實際工程設計。印度學者Thanu等[5]利用實測數據得到了地道風系統在冬季、夏季和雨季的性能系數，同時證明了地道出口溫度與進口溫度是線性相關的，并給出了線性關系式。

2.2 解析方法

為了簡化土壤-空氣換熱器模型，很多學者[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為地道進口空氣溫度，℃；Tsp為地道壁面溫度，℃；NTU（L）為傳熱單元數，無量綱參數；ha為空氣與地道壁面對流換熱系數，W/m2K；D為地道當量直徑，mm；L為地道長度，m。部分學者近似認為土壤溫度為常數，另有部分學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標準的滲透厚度。

式中：a為熱擴散率，m2/s；τ為時間，s。

意大利學者Ascione[10]結合“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 數值方法

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

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，層內熱傳導采用穩態計算方式，層間傳熱利用熱平衡關系式，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），建立了瞬態隱性的數學模型，經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，層間空氣傳熱為穩態過程，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。吳會君等以土壤導熱方程和湍流模型為基礎，采用溫度場疊加法對土壤-空氣換熱進行了三維動態數值模擬，計算了埋管出口溫度隨時間的動態變化[14]。

3 地道風系統性能研究

由于土壤與空氣的換熱是一個十分復雜的非穩態耦合傳熱過程，一方面，地道結構、土壤特性、地面氣象參數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荷互相影響。因此，下面主要總結影響地道風系統換熱性能的四個方面，包括地道參數、地道結構、土壤特性、通風時間。

3.1 地道參數

地道參數包括埋深、長度、直徑、地道材料和風速。國內學者[14～15]利用實測驗證過的三維土壤-空氣傳熱傳質數值模型模擬分析了長度、埋深、風速等參數對系統換熱效果的影響，得到如下結論：1）埋深越深，地道換熱效果越強，綜合考慮經濟因素和換熱效果，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）地道較短時風速不宜過高，地道較長時可適當提高風速。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構、塑料管和金屬管。印度學者Bansal[16]進行了鋼管和PVC管對比實驗研究，結果表明地道材料對換熱效果的影響不大。

3.2 地道結構

地道結構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、串聯式/并聯式、開式/閉式。

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

圖2 并聯式/串聯式

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格（包括空氣網格和地道網格），同時受影響土壤層為另一層網格。宋凌等基于三維非穩態傳熱模型和一維流體傳熱模型得到數序模型，建立了采用修正溫度作為修正系數的多管地道降溫簡化算法，可用于實際工程設計[20]。

地道風系統可根據通風形式分為開式系統和閉式系統兩種。開式系統即指地道進風采用室外新風，室內熱環境直接受室外氣象影響。對于高濕度地區，地道出風的濕度相對較大，需要配置除濕裝置。閉式系統即指地道進風采用室內回風，與建筑負荷聯系緊密。

3.3 土壤特性

含水率是土壤特性的重要參數，直接作用于土壤導熱系數，從而影響地道風系統換熱效果。

Mihalakakou分析了含水率對地道風系統性能的而影響，發現隨著含水率降低，土壤導熱系數下降[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℃，因而認為可忽略含水率的影響。而2011年廣州大學學者周曉慧通過實驗數據得到土壤含水率對導熱系數有很大影響，其中土壤含水率25%時的導熱系數是含水率2%的4.14倍[22]。利用FLUENT軟件建立了土壤-空氣換熱系統的耦合傳熱模型。模擬結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%區間溫降比較明顯，最大溫降可達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間不同所引起的。

3.4 通風時間

通風時間與建筑實際運行負荷和地道風系統的運行特性密切相關，進而影響整個系統的性能。

劉澤華建立了地道風降溫系統的優化設計數學模型，并結合建筑熱過程的動態模擬，編制了用地道風通風時室內熱環境的預測軟件，用于指導實際系統的起用、停用日期，運行區間以及運行時數等[23]。Tiwari等[24]忽略空氣流動對周圍土壤的影響，基于穩態傳熱分析，建立了地道風技術與溫室的耦合傳熱模型。同時，他們利用該模型優化地道風系統的運行時間以獲得最大的采暖/制冷能力。南京理工學者桂玲玲利用FLUENT軟件建立了地道風系統的傳熱數值模型，對比了6h、12h、18h和24h四種不同通風時間下的地道風系統性能[25]。模擬結果表明隨著通風時間的增加，地道的冷卻（升溫）能力下降。

4 復合式地道風系統

由于埋管面積、土質條件等降低了系統整體的制冷/供冷能力，同時存在室內空氣品質不佳等問題，限制了地道風的實際應用范圍。因此，國內外有很多學者在探索地道風與其他系統相結合的應用方式。

4.1 地道風結合空氣源熱泵系統

空氣源熱泵系統在寒冷地區由于室外溫度較低，易出現結霜現象，致使頻繁開啟除霜工況，系統整體制熱性能系數（COP）大大下降。因此，山東建筑大學的一批學者[26～27]提出將地道風用作空氣源熱泵的低位熱源。

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

另一方面，通過實驗研究證明，基于地道風的空氣源熱泵系統的制熱量、制熱性能系數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，即使在環境溫度為-8℃時，基于地道風的空氣源熱泵系統制熱性能系數仍為3.0，高于普通的空氣源熱泵系統，大大改善了在寒冷季節惡劣的運行情況。尤其在溫度極低的情況下，該系統的應用優勢更加顯著。同時省去了熱泵系統的輔助加熱設備，簡化了空調系統。

4.2 地道風結合蒸發冷卻系統

在炎熱干燥地區，單一的地道風系統不足以滿足制冷季節室內舒適度的要求。如果通過加深埋深或擴大埋管面積的方式來提高地道風系統的制冷量，將會是極不經濟的。印度學者Bansal[28]提出在地道風系統末端增加蒸發冷卻裝置進一步冷卻提供舒適的室內環境，系統示意圖如圖3所示，蒸發冷卻器原理圖如圖4所示。

就全年運行情況來看，使用單獨的地道風系統提供熱舒適性環境（ASHRAE 55）時間占全年的23.33%，而地道風結合蒸發冷卻系統時間占全年的34.16%。由于當地居民對熱舒適性的要求并不高，因此，地道風結合蒸發冷卻系統基本可滿足當地全年的通風降溫要求。同時，地道風結合蒸發冷卻系統比單獨的地道風系統全年的制冷量高3109MJ。因此，在炎熱干燥地區，地道風結合蒸發冷卻系統更顯優勢。

圖3 地道風結合蒸發冷卻系統

圖4 蒸發冷卻示意圖

4.3 地道風結合太陽能煙囪系統

伊朗學者M.Maerefat[29]提出將地道風與太陽能煙囪這兩種被動式系統相結合應用到建筑通風降溫中，系統示意圖如圖5所示。

圖5 地道風結合太陽能煙囪系統

由于太陽煙囪效應，使得熱空氣不斷上浮，室內新風不斷通過地道補入，省去了傳統地道風系統的驅動裝置——風機，可謂是真正的被動式系統。通過建立太陽能煙囪和地道風的耦合模型，并經過實測數據驗證，來分析該系統的性能。地道模型基于穩態計算，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。結果表明太陽能煙囪越高，室內的熱舒適性就越差，因此可通過增加地埋管的數量提供冷卻能力來增強室內的熱舒適性；當地埋管的管徑為500mm，管道長度大于20m時，地道風系統冷卻能力最佳。

圖6 地道物理模型

4.4 地道風結合光伏發電系統

除了采用被動式太陽能煙囪系統來減少風機電耗的方式外，土耳其學者Ylidiz[30]將光伏發電系統與閉式地道風系統相結合，由光伏發電系統承擔部分風機的電耗，系統示意圖如圖7所示。

圖7 地道風結合光伏發電系統示意圖

利用光伏發電技術給地道風動力風機供電，可大大減少高峰時系統的耗電量。根據實測結果可知，地道風系統的日平均制冷量為5.02kW，而系統的耗電量為8.1kWh，其中34.55%的電量由光伏系統供應，其余的則有電網供應。

5 總結

1）作為傳統能源的替代形式，地道風系統在建筑通風空調領域具有很好的應用前景，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，地道風系統只適用于低密度建筑。

3）從國內外對地道風系統土壤-空氣的換熱機理研究來看，對于不同的計算模型，給定合適的假設條件，都與實測值吻合得較好，可作為計算的依據。但是目前大部分的地道風換熱模型都是針對特定的地道結構，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/并聯）和通風方式（開式/閉式）形式多樣，關于該方面的對比研究還很少見。

5）結合實際建筑負荷需求，優化地道風系統的運行控制策略，包括起停用時間、運行時數等，是有效提高系統性能的手段。

6）復合式地道風系統能很好解決單一地道風系統中存在的問題，包括空氣品質不高或冷熱量不足，將是地道風系統發展的趨勢。

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