搜索
2010-11-41地道风降温技术的工程应用研究王敏中国建筑科学研究院2010年10月23日概述概述计算原理计算原理适用范围适用范围应用实例应用实例小结小结2010-11-42概述地道风降温是通过埋地管道将空气与土壤进行热交换达到降温目的的一种建筑节能技术。在七十年代初期，地道风降温技术发展较为迅速，多用于影剧院、礼堂、招待所及工业建筑等场所。随着经济水平和空调技术的快速发展，地道风降温逐渐被多种空调技术所替代。近年来，建筑能耗不断攀升，对建筑技术的研究进入到建筑节能的新时期，人们越来越重视自然冷热源在建筑中的应用，地道风降温技术由于其节能、经济、系统简单等优点再次引起了建筑工作者的重视。计算原理地层温度的变化：地道风降温工程所用的地道埋深相对于地层的厚度来说较浅，其原始温度的变化主要取决于地表温度的变化，而地表温度的变化主要是受太阳辐射及长波辐射散热的影响。气象资料表明，大气及地面温度的变化，均为周期性的温度波动，并且均可以一定的余弦函数表示。2010-11-43计算原理地层温度的变化：如果将地壳看作一个半无限大的物体，根据傅利叶导热微分方程，它在周期性温度波作用下的温度场可以写为：22ayqqt∂∂=∂∂20cos2yaddttAeya⎛⎞=+-⎜⎟⎜⎟⎝⎠求解得：计算原理地层温度的变化：同一埋深y处地层原始温度的变化范围为，随着埋深的增加，温度波幅对原始温度的影响也逐渐减小，一般当埋深超过15米后，即可忽略地表温度对地层原始温度的影响。另外，对于地道风降温计算，日温度波动对地层温度的影响也可忽略不计。，20yaddttAew-=±2010-11-44计算原理地道的降温计算：，在地道风降温传热的过程中，进气温度会随室外气温的变化而变化，空气通过地道与壁面换热，地道又与土壤进行换热，再加上间歇运行的形式，整个过程是温度场随时间而改变的一个不稳定传热过程。地道风的降温计算公式首先以半无限大物体的不稳定传热过程进行分析，假定在恒热流作用下温度变化只沿埋深方向一维变化，再根据无限长圆柱体的传热计算对传热系数K进行形状修正。根据傅利叶导热微分方程，其一维导热的计算式为：计算原理地道的降温计算：2010-11-45当y=0时，壁面处的温度为：用壁面处的空气温度代替壁面温度，α为地道壁面的放热系数，有：计算原理地道的降温计算：02bqatttlp=+011.13ttqatal-=+计算原理地道的降温计算：对于长地道(L50d)，引入形状修正系数：U为地道横截面长度。有：10.76aUpbt=+根据热平衡原理，地道壁面与土壤的换热量等于空气在地道内的换热量。因此，要使空气经过地道后由温度t1上升到t3，所需要的面积为：111.13Katabl=+()0QKAtt=-2010-11-46计算原理地道的降温计算：1030lnttcGAKtt-=-对于间歇运行的地道，对于一定的地道换热面积，地道的出口温度可以写成：()03010KAcGttttBe-=+-××计算原理地道的降温计算：B是间歇修正系数，00iKAncGiKAcGeBe-=-=∑计算周期i，对于一般工程来说，取到13即可保证应用精度2010-11-47适用范围地道风是利用地层原始温度与地表空气之间的温差来进行降温，所以，不同地区应用地道风的降温范围也不相同。由于地层原始温度的限制，地道风降温技术不可能将室外空气处理到像空调系统的送风温度一样。因此，完全利用地道风来替代常规空调系统是很困难的。适用范围早期的地道风降温技术主要应用于礼堂、影院、工业厂房甚至猪圈等场合是由当时的经济能力和技术水平所决定的。新时期地道风的降温可应用于中小学校、办公建筑等，在实际应用中，地道风降温技术的应用大致可以分为以下几种情况：2010-11-48适用范围利用地道风对室外空气进行预处理，再送入新风系统进一步降温。在对室内温度要求不高的场所直接利用地道风达到降温调节的目的。与空调系统共同工作，承担一部分空调负荷。在过渡季或空调季初末期，直接将地道风送入室内。适用范围在地道风降温系统的设计计算过程中，室内、外设计温度可以根据建筑的使用功能及具体情况来确定，一般情况下按室外通风温度进行计算，在综合考虑地道换热面积及经济性的同时，可适当调整设计参数。2010-11-49应用实例北京通州区某办公建筑门厅，建筑面积130平方米，一二层中空挑透，层高8.7米。南北侧围护结构为玻璃幕墙，附有外遮阳措施，东西两侧与走廊相连。现拟采用地道风技术解决夏季室内冷负荷，由于门厅停留人员较少，且对室内温度要求不高，所以室内设计温度取27℃，经计算，夏季冷负荷为6742W。应用实例项目参数送风温差5℃送风量4620m3/h全面地面平均温度13.1℃年地面温度波幅15.4℃运行周期及运行策略7～9月每天运行8小时土壤导温系数0.00318m2/h地道导热系数1.74W/(m·k)气流组织方式侧送下回2010-11-410应用实例地道选择预制混凝土管道，直径1.2米；地道内的附加温升按1℃计算；当采用全新风系统，地道进口风温按夏季室外空调计算温度33.2℃，室内设计温度按27℃计算，埋深为1～6米（以1米为步长）的管道计算结果如下：应用实例埋深地层原始温度/℃地道长度m出口风温℃1米24.5——2米20.320321.93米17.111221.94米15.08821.95米13.87921.96米13.27521.9地道长度随埋深的增加不断减少，由于埋深1米处地层的原始温度为24.5℃，无法满足与室内设计温度保持5℃温差的要求，计算无解。2010-11-411应用实例地道的长度随着埋深增加而减少，但是减少的幅度逐渐降低，与此同时，由于埋深的增加，施工所需要挖掘的土方量在增长，这使得工程的经济性下降。应用实例埋深地层原始温度/℃地道长度m出口风温℃1米24.5——2米20.317121.93米17.19021.94米15.07021.95米13.86221.96米13.25921.9若采用一次回风系统，回风量与新风量的混合比为1:1时，地道进口混合风温为30℃。此时，埋深为1～6米（以1米为步长）的管道计算结果为左图2010-11-412应用实例将两个入口风温对应的管道长度进行对比（见右图），可以看出入口风温对管长的影响是均匀的，管道长度在各埋深处的减少幅度基本相同。为了兼顾工程应用的功能性与经济性，选择埋深4米，管道长度88米为最终计算结果。小结地道风技术是利用天然能源的建筑节能技术，具有造价低、维护费用少、运行费用省等优点，多用于夏季降温，也可以用于冬季空气的预处理。应用地道风技术应根据功能需求确定计算参数，运行方式，送风方式，在计算时还应综合考虑工程的经济性2010-11-413小结谢谢!