簡諧波動氣候下土壤-空氣換熱器熱濕耦合傳遞簡化解析模型

王紀(jì)力波

摘 要：土壤-空氣換熱器是一種備受歡迎的被動式節(jié)能技術(shù)。對系統(tǒng)中熱濕傳遞過程的定量分析是評價其熱工性能的關(guān)鍵。外部環(huán)境中空氣溫度、含濕量以及土壤溫度波動在年周期中均呈簡諧波動。本文建立了簡諧波動氣候下土壤-空氣換熱器熱濕耦合傳遞解析模型。通過對比新模型與顯熱傳遞解析模型的預(yù)測結(jié)果，說明了濕傳遞對系統(tǒng)性能評估的影響。

關(guān)鍵詞：土壤-空氣換熱器;簡諧波動氣候;熱濕耦合;解析模型

引 言

地道風(fēng)系統(tǒng)可以被理解為土壤-空氣換熱器，常被用來汲取地?zé)崮軐崿F(xiàn)對空氣冷卻/加熱，以節(jié)省能源[1]。為了評估和預(yù)測土壤-空氣熱交換器的熱工性能，需要建立準(zhǔn)確的傳熱模型。實際上，地埋管入口的室外空氣溫度以日和年周期呈簡諧波動。管道周圍土壤的溫度也呈周期性的波動，同時還會受到管內(nèi)空氣換熱的擾動。因此簡諧波動氣候和土壤溫度波動對地道風(fēng)系統(tǒng)熱工性能有較大影響。有部分學(xué)者將簡諧波動氣候納入到對地道風(fēng)系統(tǒng)的性能評估研究中[2-5]，但是忽略了管內(nèi)空氣含濕量的變化以及濕傳遞對整個換熱過程的影響。對重慶、北京和哈爾濱的典型氣象年日平均空氣含濕量數(shù)據(jù)[6]進(jìn)項擬合，如圖1所示，結(jié)果表明室外空氣含濕量在年周期中也呈簡諧波動。目前已有相關(guān)研究表明濕傳遞對地道風(fēng)系統(tǒng)性能評估的影不可忽略[7-10]。

本文的目的是在前人簡諧波動氣候下地道風(fēng)系統(tǒng)性能評估顯熱傳遞解析模型的基礎(chǔ)上，將室外空氣含濕量波動也納入到簡諧波動氣候中，建立一個簡諧波動氣候下地道風(fēng)系統(tǒng)的熱濕耦合傳遞解析模型。此外，通過假設(shè)案例，對新建立模型與顯熱傳遞解析模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，論證考慮傳濕效應(yīng)的必要性。

2. 預(yù)測結(jié)果分析

圖3是兩種解析模型對地埋管出口空氣溫度振幅比和相位差沿管長變化的預(yù)測結(jié)果。兩種解析模型對出口空氣溫度的預(yù)測結(jié)果相同，因為熱濕耦合傳遞解析模型是在顯熱傳遞解析模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而得，兩者關(guān)于空氣溫度的解析解是一致的。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣溫度振幅沿管長方向衰減，出口處空氣溫度振幅衰減至入口空氣溫度振幅的0.56;空氣溫度相位滯后程度沿管長方向增加，出口處空氣溫度相位滯后0.16，即相位滯后接近10天。

圖4是熱濕耦合傳遞解析模型對地埋管出口空氣含濕量振幅比和相位差沿管長變化的預(yù)測結(jié)果。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣含濕量振幅沿管長方向呈單調(diào)降低的趨勢，出口處空氣含濕量振幅減少至入口空氣含濕量振幅的0.67;空氣含濕量的相位差沿管長方向增加，出口處空氣含濕量相位滯后0.19，即相位滯后接近11天。顯熱傳遞解析模型沒有考慮地埋管內(nèi)濕傳遞，所以我們認(rèn)為管內(nèi)含濕量振幅比始終等于1，并且相位差為0。

圖5是兩種解析模型對地埋管出口空氣焓值振幅比和相位差沿管長變化的預(yù)測結(jié)果。結(jié)果表明，在假設(shè)工況下，空氣焓振幅會隨著管長增加而不斷衰減，相位會隨著管長方向不斷滯后。與不考慮濕傳遞的解析模型預(yù)測結(jié)果相比，熱濕耦合傳遞解析模型對出口空氣焓振幅比的預(yù)測結(jié)果減小了76.4%，出口空氣焓相位滯后天數(shù)預(yù)測結(jié)果增加8天。這說明濕傳遞對地道風(fēng)系統(tǒng)出口焓波動曲線有著非常明顯的影響。

三、結(jié)語

本文基于前人的地道風(fēng)系統(tǒng)顯熱傳遞解析模型，提出了一種評價簡諧波動氣候下土壤-空氣換熱器內(nèi)部熱濕耦合傳遞性能的顯式解析模型。給出了年波動周期內(nèi)地埋管出口空氣溫度和含濕量的幅值衰減和相移的顯式解

EAHEs導(dǎo)致空氣溫度和含濕量的波動振幅衰減和相位滯后。當(dāng)空氣與EAHE管壁之間發(fā)生濕傳遞時，濕傳遞會加大了空氣焓相移，加速了空氣焓的波動振幅衰減。這說明在評價EAHE供冷或供熱能力的動態(tài)特性時，考慮EAHE內(nèi)部熱濕傳遞的耦合效應(yīng)是必要的。

實際上，忽略了濕傳遞產(chǎn)生的潛熱對地埋管管壁換熱的影響，這種簡化處理的適用工況范圍還有待確定，本文研究工作的下一步內(nèi)容將包括對更加完善的熱濕耦合傳遞理論模型以及相關(guān)實驗的研究。

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