地道通風(fēng)傳熱傳質(zhì)的數(shù)值模擬分析

周曉慧，楊 柳，張孝怡

( 云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223 )

地道通風(fēng)傳熱傳質(zhì)的數(shù)值模擬分析

周曉慧，楊 柳，張孝怡

( 云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223 )

基于土壤的不同物理性能，根據(jù)一維土柱傳熱傳質(zhì)原理，利用CFD技術(shù)方法對(duì)地道通風(fēng)降溫過程中其降溫效果進(jìn)行模擬分析，計(jì)算在土壤含水率、進(jìn)口風(fēng)速、通風(fēng)時(shí)間不同時(shí)出口溫度分布，從而對(duì)比分析降溫效果，為地道通風(fēng)工程的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

地道通風(fēng)；傳熱傳質(zhì)；數(shù)值模擬；降溫效果

1 前言

地道通風(fēng)降溫是指利用人工或已存地道冷卻空氣，通過機(jī)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(dá)到室內(nèi)空氣降溫的目的。地道通風(fēng)系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)空氣——土壤的熱交換器，利用土壤層對(duì)自然界的冷、熱能量的儲(chǔ)存作用來降低建筑物的空調(diào)負(fù)荷，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

地道通風(fēng)系統(tǒng)屬于直流式通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)地道風(fēng)也可用作空氣源熱泵的低位熱源。有文獻(xiàn)提出基于地道風(fēng)的空氣源熱泵系統(tǒng)，冬季以地道風(fēng)為熱源的空氣源熱泵有效地抑制了制熱量的衰減，能夠制取足夠的熱量，省去了熱泵系統(tǒng)輔助加熱用的鍋爐房和冷卻水系統(tǒng)，供熱無污染，初投資較少，同時(shí)性能系數(shù)COP提高32%，可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用[1][2]。

基于地道通風(fēng)系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近階段對(duì)于地道通風(fēng)的研究和應(yīng)用被得到重視。地道通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效果受到地道結(jié)構(gòu)尺寸、埋深、地道內(nèi)空氣流速及室外氣象參數(shù)等的影響，所以研究地道內(nèi)空氣與地道壁面的傳熱傳質(zhì)過程，分析系統(tǒng)的降溫效果顯得尤其重要。

2 地道風(fēng)降溫過程理論

由于地道通風(fēng)系統(tǒng)的空氣換熱過程，在熱交換的同時(shí)伴有質(zhì)量的交換，從冷卻效率的觀念出發(fā)，可以把同時(shí)存在熱、質(zhì)交換的復(fù)雜換熱過程，簡化為單純的傳熱過程和單純的傳質(zhì)過程[3][4]。

在傳熱過程中：空氣與地道壁面的熱交換有對(duì)流和輻射兩種方式，而一般情況下，熱輻射很少在地下建筑中起到重要作用，所以在考慮地道內(nèi)空氣與地道壁面的換熱過程時(shí)，可簡化為只考慮地道內(nèi)空氣與地道壁面的對(duì)流換熱，也可稱為壁面向風(fēng)流的放熱。

在傳質(zhì)過程中：進(jìn)入地道的熱空氣與地道壁面之間存在較大的溫差，使熱空氣與地道發(fā)生熱交換，隨著地道中空氣流程的增加，熱質(zhì)交換的進(jìn)行程度進(jìn)一步加深，地道內(nèi)空氣的焓和溫度都逐漸降低。在一定距離之后，空氣的干球溫度降低至空氣的露點(diǎn)溫度，從而在地道壁面就出現(xiàn)結(jié)露狀態(tài)，使空氣中的水分凝結(jié)出來。

3 地道傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型

FLUENT軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法。本文中所研究的地道通風(fēng)降溫系統(tǒng)的模型中土壤屬于多孔介質(zhì)，其傳熱過程屬于耦合傳熱，用FLUENT可建立有效的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行自定義邊界條件及初始條件、流體的物性及多孔介質(zhì)模型的設(shè)定[5]。

由于地道壁面的建筑材料和土壤屬于多孔介質(zhì)，室外空氣進(jìn)入地道后，與地道壁面及土壤遠(yuǎn)處傳熱，使地道內(nèi)空氣溫度降低。地道壁面的邊界條件的熱邊界條件設(shè)為耦合邊界傳熱。

本次模擬的地道模型的當(dāng)量直徑為1m，地道長度是100m，地道中心點(diǎn)埋深為4m，進(jìn)口溫度308K，運(yùn)行時(shí)間是4小時(shí)。模擬情況分為土壤含水率分別是2%，5%，10%，15%，20%和25%；風(fēng)速分別是1m/s，2m/s和3m/s；每次更換一個(gè)變量參數(shù)，模擬共計(jì)18種情況。

4 地道風(fēng)降溫效果模擬分析

進(jìn)口風(fēng)速為1m/s，溫度為308K，運(yùn)行4h，此工況簡稱工況1。進(jìn)口風(fēng)速為2m/s，溫度為308K，運(yùn)行4h，此工況簡稱工況2。進(jìn)口風(fēng)速為3m/s，溫度為308K，運(yùn)行4h，此工況簡稱工況3。

4.1 工況1的模擬計(jì)算分析

工況1時(shí)，土壤含水率分別是2%，5%，10%，15%，20%和25%狀態(tài)下，經(jīng)過模擬得到出口空氣即空氣終溫T2的云圖見圖1～圖3，地道內(nèi)空氣主流溫度隨著地道進(jìn)深方向的溫降見圖4。

圖1 工況1時(shí)土壤含水率為2%和5%的空氣終溫T2

圖2 工況1時(shí)土壤含水率為10%和15%的空氣終溫T2

圖3 工況1時(shí)土壤含水率為20%和25%的空氣終溫T2

表1 通風(fēng)4h的地道降溫模擬(v=1m/s)

土壤含水率土壤導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)土壤密度(kg/m3)總熱流密度(W)出口溫度(K)溫降(℃)2%0347616485994533025609543915%06096173064591930215915840910%08875181368253530184866151415%10951189570093130169386306220%12464197870932730162296377125%143772060717039301558664414

圖4 工況1不同含水率時(shí)的空氣沿著地道 方向的溫度變化曲線

從圖1～圖4可以看出，風(fēng)速為1m/s，即當(dāng)?shù)氐纼?nèi)空氣風(fēng)速一定時(shí)，隨著土壤含水率的增加，地道出口空氣終溫T2有下降的趨勢，即地道空氣的溫降增大。當(dāng)土壤含水率在2%時(shí)，地道出口的溫降為5.439℃，當(dāng)土壤含水率即將飽和時(shí)，溫降為6.441℃，土壤含水率在2%～15%區(qū)間溫降比較明顯；當(dāng)土壤含水率達(dá)到20%以上時(shí)，雖然有下降，但是幅度不大。

4.2 工況2的模擬計(jì)算分析

工況2時(shí)，土壤含水率分別是2%，5%，10%，15%，20%和25%狀態(tài)下，地道內(nèi)空氣主流溫度隨著地道進(jìn)深方向的溫降見圖5。

圖5 工況2不同含水率時(shí)的空氣沿著地道 方向的溫度變化曲線

從圖5可以看出，風(fēng)速為2m/s前提下，隨土壤含水率的增加，地道出口空氣終溫T2呈現(xiàn)下降的趨勢，即地道空氣的溫降增大。當(dāng)土壤含水率在2%時(shí)，地道出口的溫降為4.193℃，當(dāng)土壤含水率達(dá)到15%時(shí)，溫降增大至5.392℃，當(dāng)土壤含水率達(dá)到25%時(shí)，溫降為5.600℃，與土壤含水率為15%時(shí)的溫降相比，降幅不明顯。

4.3 工況3的模擬計(jì)算分析

工況3時(shí)，土壤含水率分別是2%，5%，10%，15%，20%和25%狀態(tài)下，地道內(nèi)空氣主流溫度隨著地道進(jìn)深方向的溫降見圖6。

圖6 工況3不同含水率時(shí)的空氣沿著地道 方向的溫度變化曲線

從圖6可以看出，當(dāng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，隨土壤含水率的增加，總體來看，地道出口空氣終溫T2仍有下降的趨勢，空氣的溫降增大。當(dāng)土壤含水率在2%時(shí)，地道出口的溫降為3.442℃，當(dāng)土壤含水率達(dá)到10%時(shí)，溫降增大至4.511℃，當(dāng)土壤含水率達(dá)到25%時(shí)，溫降為5.048℃。隨著土壤含水率增加，地道內(nèi)空氣與壁面發(fā)生的潛熱和顯熱換熱量都呈現(xiàn)增加的趨勢，導(dǎo)致地道內(nèi)空氣與壁面的總換熱量增大，而地道內(nèi)空氣的流量一定，所以地道出口空氣終溫逐漸下降。

圖7 地道出口終溫T2隨含水率的溫度變化曲線

從圖7中對(duì)工況1，2，3三種模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同一含水率土壤中，風(fēng)速對(duì)空氣終溫及換熱量也起到了很大的影響作用。在三種工況中，工況1風(fēng)速為1m/s，空氣終溫最低，即溫降最大，同時(shí)空氣的換熱系數(shù)最低，空氣的總流量最少；工況3風(fēng)速為3m/s，空氣終溫最高，即溫降最小，同時(shí)空氣的換熱系數(shù)最大，空氣的總流量最多。這說明隨著風(fēng)速的增大，空氣在地道中流動(dòng)時(shí)與地道壁面換熱的換熱系數(shù)h也隨之增大，但同時(shí)地道內(nèi)空氣的流量也隨之增大，相比較而言，空氣流量的變化影響較換熱系數(shù)的變化來說，其影響因素更大，所以綜合來說，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，地道內(nèi)空氣的降溫效果較好。

5 結(jié)論

本文通過模擬計(jì)算得到地道通風(fēng)降溫效果，通過模擬可得出：在風(fēng)速1m/s，運(yùn)行時(shí)間為4h的情況下，土壤含水率為2%時(shí)地道出口溫降為5.44℃；含水率為5%時(shí)地道出口溫降為5.84℃；含水率為10%時(shí)地道出口溫降為6.15℃；含水率為15%時(shí)地道出口溫降為6.31℃；含水率為20%時(shí)地道出口溫降為6.38℃；含水率為25%時(shí)地道出口溫降為6.44℃。

在風(fēng)速一定時(shí)，隨著土壤含水率的增加，地道通風(fēng)的降溫效果越明顯，這是因?yàn)榈氐纼?nèi)空氣與壁面發(fā)生的潛熱和顯熱換熱量即總換熱量隨之增大，所以空氣溫降增大，在土壤含水率在10%～20%區(qū)間溫降比較明顯；隨著風(fēng)速的增大，空氣在地道中流動(dòng)時(shí)與地道壁面換熱的換熱系數(shù)h和空氣的流量隨之增大。綜合來說，當(dāng)風(fēng)速較低，土壤含水率較高時(shí)，地道內(nèi)空氣的降溫效果較好。

[1] 李軼，田茂誠，李永安．基于地道風(fēng)空氣源熱泵間歇散熱[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，41(1)：156-161

[2] 李永安，戎衛(wèi)國，牟靈泉．基于地道風(fēng)的空氣源熱泵性能研究[J]，低溫建筑技術(shù)，2003，(l)：441-444

[3] 張玲．土壤熱濕傳遞與土壤源熱泵的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]．浙江大學(xué)，2006

[4] 高青，李明， 于鳴，等．濕土壤含濕特性對(duì)傳熱影響研究，熱科學(xué)與技術(shù)[J]．2005，4(2)：136-140

[5] 夏春海，周翔，朱陽沁，等．地道通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬與分析[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2006，(9)：923-928

TheNumericalSimulationofHeatandMassTransferProcessoftheUndergroundDuctVentilation

ZHOU Xiaohui，YANG Liu，ZHANG Xiaoyi

( Yunnan Institute of building research，Yunnan Kunming 650223 )

Based on the different physical properties of the soil and the one-dimensional heat transfer principle,the effect of tunnel ventilation and cooling was simulated by means of CFD techniques.Three models，which simulating different soil moisture contents，different velocity of inlet air and different ventilation runtime respectively，are set to analyze the ultimate air temperature distribution.The results of simulation models of temperature reduction provides theoretical principles for the practical application of air in underground duct system.

Underground duct ventilation；Heat and mass transfer；Numerical simulation；Temperature reduction

2017-7-14

周曉慧(1986-)，女，碩士，工程師，研究方向：綠色建筑與建筑節(jié)能。E-mail：zhouxiaohui9@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-066-05

TU834文獻(xiàn)標(biāo)示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.012