广州某小学土壤

广州某小学土壤－空气换热系统夏季降温的数值模拟摘要：采用温度场叠加方法，对土壤－空气埋管换热系统进行了非稳态数值模拟，计算了埋管进出口温度随时间的动态变化。对广州某小学土壤－空气换热系统的夏季降温效果进行了测试，测试数据与模拟结果间差别不超过1℃。并对影响土壤－空气换热系统降温性能的因素进行了模拟，模拟结果表明：换热器出口温度随外界气温和土壤表面获得的辐射能的周期性变化而呈周期性变化；随着埋管长度的增加和换热器管径的减小，换热器出口温度降低，而且受气温和太阳辐射的影响减小，温度变化幅度减小，供冷性能提高。本文对土壤自然冷源的有效利用、土壤－空气换热器的设计与降温性能的评价具有很好的指导作用。关键字：换热器夏季降温数值模拟自然通风1引言在土壤深度方向上，随着太阳辐射波的衰减和热量的传递，一般地，地表深度4m以下的全年土壤温度基本可以稳定于年平均气温，因此可把深层的土壤作为温度较为恒定的蓄热体，因地制宜可分别在夏冬两季把土壤作为冷源和热源，通过土壤－空气换热系统，用于减小建筑空间的空调负荷或直接用于降温、采暖等。近20年来，土壤－空气换热系统已被用于温室[1,2]、医院[3]、学校[4,5]等建筑，在炎热地区的夏季，把外界空气的热量通过换热器释放给土壤，起到降温和降空调负荷的作用，在暖通空调和建筑节能方面得到了广泛的应用[6]。广州地处亚热带季风海洋性气候区，夏热时间长，高温高湿气候持久，最冷月平均温度13.3℃，日平均温度大于等于25℃的天数100～200天，是夏热冬暖气候的代表城市[7]。广州地区的空调设计，以夏季制冷为主，考虑防热、除湿等问题，夏季城市居民普遍使用空调制冷；而冬季大部分时间气温都在10度以上，基本上不用采暖问题。广州最热月份的室外最高温度可达35℃以上，而地下3.2m深处的土壤温度全年基本维持在25℃左右，并且室外最高温度的月份出现在7～8月份之间，而地下3.2m深处土壤的最高温度延迟到10月份左右。因此可以利用地层和室外空气之间的温差，使用地下土壤作为自然冷源降温。2数学模型前人的研究发现，土壤中湿迁移对传热的影响小于0.1%，因此可忽略土壤中的湿分迁移，忽略空气在换热器表面上的冷凝，仅考虑显热的影响。土壤－空气换热系统如图1示，近换热器区的土壤温度受地表太阳辐射能和换热器内空气流动换热的共同作用，采用温度场叠加方法，把有换热管存在的温度场视为受太阳辐射能传递影响的自然土壤温度与受埋管中空气降温影响的土壤温度的叠加。土壤的热传导方程为：(1)式中，,Cp,k分别为土壤的密度、热容和导热系数。土壤－空气换热管内空气的能量方程：(2)式中，,Ca,分别为空气的温度、密度、热容和导热系数；为管壁的对流换热系数；这里忽略管内深度方向的温度分度。地表为一个很复杂的边界条件，有热传导、对流、辐射等多种传热方式，但土壤间的热量传递与地表和环境大气间的换热量存在平衡关系，表示为第三类边界条件：(5)式中，y表示距离土壤表面的深度；,,分别为管壁、室外空气和土壤表面的温度。，分别为土壤表面和管壁的对流换热系数，表示为土壤表面风速和管内平均风速的函数：在土壤－空气换热系统的进口x=0和出口x=L处，忽略x方向的导热，表示为绝热边界条件：对以上控制方程进行离散化，联合初始条件和边界条件，采用控制容积法数值求解，控制容积法严格保证了在控制体积上变量的守恒性。3数值模拟的实验验证简针对广州难的夏季气容候特点，策在广州某珠小学建立挡了土壤－歉空气系统菠降温的示构范工程，悬如湿图略3办示。地基迁工程中预惜埋管梁长臭60主m期，埋管深躺度婶为树3.75句凑m松，管悔径被0.35支狼m挥，扎200锹2选年兴7稳月对换热精管的供冷用性能进行某了实验测收试，通风区量势2000宴m柴3孝/拼h验，换热管清出口温度宵的实测数爆据与模拟久计算结果晕对比，如酿图廊4漂示，二者幼吻合较好稀，温度差租别基本不随超你过绵1省℃作。警图额3欣先广州某小廉学土壤－鹅空气换热挤系统示意膊图帐图呼4溜达换热器出老口温度实移测数据与事模拟结果只的对比江4轰馋模拟结果句与讨论丝土壤－空知气换热系镜统的降温价效果取决葱于换热管秆长、管径战以及通风弄量，采用膝以上数学亮模型，对普不同管长都和管径的该换热管出世口温度日阁变化进行乎模拟，计声算时间从仗晚上零点漫至第二日永的零点，担入口空气仪温度采用椅通用的余朽弦函数表插示：(9)逝其中，悠t宰－时间喝，孕h缸，变化范责围蹈为战0:0字0挽～紫24:0妈0档。博4.1罪项换热管长斤的影响舰对土壤－中空气换热急系统，固团定管缠径鹿0.2颠m宗和平均风肉速缺2m/泪s衡，计算换易热管长度愈不同的情泛况下的出裕口温度，丙结果如绝图虚5瓶示集。糠承图狸5足摆不同管长历条件下换柱热管出口疑温度的变密化洲祖由结图嘴5沸，当入口旁空气温度牵变化范围举为最径高宰3岁6嗽℃星和最侦低抽27.蚊5样℃碎，波动振赖幅藏8.足5所℃哈，通过土沈壤－空气都换热系统忧的降温效梯应，拍长献20淘m绢、染40永m恶和含60候m涌的换热管测出口温度座变化分别怀为紫26.1俘~33.钻6彼℃震(7.缎5定℃嫌)从、厌24.7葱~31.陕2肝℃鼓(6.侮5碍℃后)折胆和公23.8膏~29.兵5(5片.穗7仍℃汁)揪。可见，腾在周期性序的太阳辐购射和入口廊温度条件钓下，换热灾管出口温匠度亦呈周割期性变化液，但随着足换热管长烧度的增加叙，出口温电度变化的枪幅度明显胸减小。这恭是由于随滨着换热管痒长的增加您，土壤与疾空气间的锡换热面积哄和换热时既间增大，霜空气降温狗和供冷效滤果更为明膀显。康4.2渠歌管径的影虑响子改变土壤火－空气换薪热系统的恨管径，模朝拟结果如饿图糟6赚示，在式丛（岩9累）表示的锄周期性入既口温度条融件下，管主径上为彩0.3爸m稠换热系统念出口温度辜变化范围教为度25.目7萄～声32.埋6励℃滑，一导天冈95扰%吵时间内温滤度低举于随32.馅5眼℃斜；而管变径涝0.1启m珠的换热管锹出口温度拴在镇95旗%娱时间内低男于乓25.雾5聪℃谁，降温效痕果更为明软显，温度贺范围更窄程，常为旷22.律3太～资25.抢6悦℃汽，振幅减朱小，换热搭管的供冷罚效能也更烤为稳定。斩换热管管伙径减小，顿使得土壤苹与空气间险的换热面丝积减小，臣但在平均旱风速不变抬的条件下森，空气的熔流量及其够需释放的晓热量也随嗓管径减小方而减小，携实际降温者效果由二购者间对比之关系决定肤，从模拟忙结果来看讨，在换热新系统半径尾从订0.1趟m揭～承0.3锁m针的变化范花围内，空塑气流量对诸降温效果岛的影响更共为显著，抚因此小管盒径有利于肚得到更低少的出口温渗度。5结论必对土壤－肉空气换热拾系统出口滴空气温度吵的数值模墙拟结果表立明：换热陵器出口温追度随外界赴气温和土叔壤表面获顽得的辐射涨能的周期悉性变化而磨呈周期性事变化，但脉随着换热余器管长的急增加和管错径的减小沾，换热器岭出口的空坐气温度降崭低，而且兰受气温和个太阳辐射拥的影响减陶小，温度聚变化幅度枯减小，供贱冷效能更革为稳定。批模拟结果暴与广州某奋小学的实恰际测试结愧果进行了督对比，两白者间的温堆度差别基文本不超背过姓1漠苹℃谁，吻合较砌好。扰本文的研翠究表明：利在我国华孕南地区如余广州的夏伙季，以土续壤为冷源泽，使用土捏壤－空气旱换热系统醉能起到较爪好的降温冬效果，可甚用于降低底学校等低吨层建筑的骄夏季空调持负荷，具扩有很好的衔节能和环泥保意义。参考文献寄1Sa曾ntam级ouri恋sM,素Mih仅alak果akou芳G,干Argi么riou付A,刷eta捎l.晚Ont若hep龟erfo咽rman芹ceo昨fbu携ildi村ngs均coup扒led献with础ear与tht筒oai叛rhe俭ate像xcha做nger休s[J粱].S狠olar梳Ene珠rgy,仇199箩5,5鄙4(6)申:37牧5-38闭0鼠2眼去江晴，李蚁戬洪，梅赛建滨，温糟室空气－更土壤换热揪系统的数挣值模瓶拟峰[J].贸鞋太阳能学翻报跨，京200差2低，软2束3誓（推2阁）最：此227-样23商3So素dha禽MS,壶Sha未rma凉AK.晶Eva焦luat脚ion窄ofa拳nea绸rth-柴air-驼tunn兴els弊yste型mfo遍rco库olin千g/he达atin梢gof滤ah纳ospi易tal用comp典lex遇[J].晨Bui堵ldin甜gan拳dEn残viro束nmen烫t,1踪985,封20(搜2):1创15-1龟22永4Wu梅HJ烤,Zh计uD燕S,L深iJ,陈et腔al.亏Ther饶mal遇perf妙orma里nce章stud烛ies榨and吩ener贤gyc田onve尸rsat西ion栋pote井ntia恼lof凝an怨eart斤h-ai赠r-pi咽pes俩yste蝶mwi茄thd骨esic落cant车coo第ling干,Pr签ocee霉ding凤sof露Int堂erna疾tion志alS博ympo度sium茎of择Enha覆nced嗓Hea捞tTr版ansf恭er&脑Ene狸rgy迈Cons治erva烦tion蜜,Ch锹ina,跌200阿4:1迷405-离1411委5Wu葛HJ坦,Zh帐uD奥S,L纸iJ,盏et塔al.刷Ther茧mody逢nami疮can亦alys漂iso溉fea输rth应cool轰ing拦syst腾emc蝇ombi宪ned识with恳ads涨orpt复ion拾dehu洋midi决fica洋tion证for功air史con高diti鸭onin潮g[J擦].S盐outh妄Chi羽naU劳nive恢rsit御yof灶Tec卫hnol废ogy,丙200宝3,3呀1(7)吐:37魂-41葛6Th晕anu颜NM,亚Saw辟hney德RL洪,Kh副are坡RN,追et肌al.庭Ane虎xper炎imen通tal在oft潮het怪herm奴alp遍erfo贯rman艳ceo相fan窄e