1 前言

自然能源的利用是空調(diào)節(jié)能的重要手段。夏季利用地道風(fēng)通風(fēng)降溫可以有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境；與一般空調(diào)系統(tǒng)相比．可以節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用．但所能達(dá)到的室內(nèi)空氣品質(zhì)卻較低。地道風(fēng)通風(fēng)的降溫效果或降溫能力與地道結(jié)構(gòu)尺寸和所在地區(qū)的氣候條件密切相關(guān)。因此在考慮采用地 道風(fēng)通風(fēng)方案時(shí)，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．并分析和預(yù)測其室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果，為建筑業(yè)主提供決策依據(jù)。

本文研究了地道風(fēng)通風(fēng)降溫的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)臺建筑 動態(tài)熱過程模擬計(jì)算方法，建立了地道風(fēng)通風(fēng)運(yùn)行時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境的預(yù)測程序．并針對一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了分析。

2 地道風(fēng)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一定量室外空氣沿地道流動，受到地道四周壁面的玲卻，在地道出口處達(dá)到較低的溫度。

考慮到地道風(fēng)一般只用于夏季降溫．且通風(fēng)是間歇運(yùn)行的，故下面對間歇運(yùn)行的地道風(fēng)通風(fēng)進(jìn)行討論。

設(shè)地道長 L(m)，截面周長 U(m)．截面面積f(m²)，地道 位于地表面y(m)以下。

假定室外氣溫為t_w (℃)，地道出口空氣溫度為t_o(℃)，空 氣流量為G( m³／h)．則有：

t_o= t_op+(t_w- t_op)×B×exp(-KF/G)

式中  t_op——間歇運(yùn)行時(shí)y(m)處地層計(jì)算溫度，℃；

B—— 間歇運(yùn)行修正系數(shù)；

K——地道壁體傳熱系數(shù)；

F——地道冷卻面積,F=U× L m2

2．1  t_op的計(jì)算

t_op= t_d+A_d×exp(-0.334y)×cos(0.334y)+Δt_d

式中  t_d——土壤表面年平均溫度，℃；

A_d——地表溫度波幅，℃；

Δt_d——地道通風(fēng)附加溫升，一般為1—3℃。

2．2 K值計(jì)算

地道壁體可視為半無限大的物體，則有：

K=[1/α+(1.13√a×c/β×λ)]-1  (3)

β=1+0．76π/U×√a×τ  (4)

α=0.045×λ_a/d_c×Re^0.8

式中α為對流換熱系數(shù)，a為壁體導(dǎo)溫系數(shù)． λ為壁體導(dǎo)熱系 數(shù)． λ₁為空氣導(dǎo)熱系數(shù)．τ為時(shí)間．de為地道當(dāng)量直徑(de=4f／U)，Re為雷諾數(shù)(Re=u× d_c／v)。

2．3 B的確定

間歇運(yùn)行系數(shù) B與地道的換氣量(空氣流量)有關(guān)，即：

B=f(F／C)  (6)

地道風(fēng)通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算就是針對一定長度、一定截面形狀的地道，根據(jù)氣候特點(diǎn)和建筑室溫要求，合理地確定送風(fēng)量以獲得最佳的降溫效果。

假定地道風(fēng)從地道出口到房間之間存在溫升(風(fēng)機(jī)、風(fēng)道溫升) Δt₀．則送風(fēng)溫度為t_m：

t_q=t_m +Δt₀  (7)

地道風(fēng)的供冷量為：

Q=G×C_p(t_N- t_m) ×ρ／3600  (8)

由于t_m， oc t₀，oc ，G，故存在一個(gè)最佳C值，使 Q達(dá)到最大。同時(shí)說明當(dāng)室外氣溫變化時(shí)，最好采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)，通過改 變風(fēng)量以得到最大的供冷效果．當(dāng)然，這樣會使初投資增加

利用式(1)一(8)編程，采用逐步搜索法，用計(jì)算機(jī)求出 最佳通風(fēng)量G和最大供冷量 Q一。設(shè)計(jì)計(jì)算流程見圖1。得 出通風(fēng)量后，便可進(jìn)行管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選擇合適的風(fēng)機(jī)；同時(shí)，結(jié)合方程(1)一(8)可以分析計(jì)算地道風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度的逐時(shí)變化。

3 地道風(fēng)通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境預(yù)測方法

地道風(fēng)通風(fēng)屬直流式空讕系統(tǒng)，其進(jìn)風(fēng)溫度隨室外氣溫的變化而變化。若系統(tǒng)的通風(fēng)量不變，當(dāng)室外氣溫隨時(shí)間變化時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度和房間冷負(fù)荷皆發(fā)生孌化，從而使得房間空氣溫度發(fā)生變化，倘若有全年氣象(氣溫)逐時(shí)分布數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑動態(tài)熱過程(動態(tài)負(fù)荷)模擬計(jì)算方法，就可以分析和預(yù)測出該通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，即通風(fēng)系統(tǒng)的起用、停用13期；系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行區(qū)間及運(yùn)行時(shí)數(shù)；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的降溫效果等。

預(yù)測流程見圖2，作者依此框圖編制了用地道風(fēng)通風(fēng)時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境的預(yù)測程序，負(fù)荷計(jì)算采用反應(yīng)系數(shù)法，程序具有逐時(shí)顯示室內(nèi)外空氣溫度曲線及相應(yīng)極值的功能，并能指示出系統(tǒng)開停狀況，而且能打印出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)數(shù) 室外溫度分布圖，據(jù)此可以判斷系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

4 實(shí)例分析

某自來水廠綜合樓靠近人肪地道口，擬采用地道風(fēng)降溫，主要供給辦公用房、娛樂房、餐廳。

4．1 地道數(shù)據(jù)：有效長度 L=230i1．截面周長 U= 5.32 ，截面面積 f=1.888m² ．壁厚δ=0 279m，λ=0．8141 W／(m．k)，a=1.54×10^-3 ，地道平均埋深Y=9 m，土壤表面年平均溫度=19.6℃，地面溫度波幅A_d=11.9℃。

4．2 建筑數(shù)據(jù)：墻體厚24O mm，單層鋁合盎玻璃窗，窗墻比60％，層高3 90m，需通風(fēng)的辦公房面積合計(jì) l90m²，娛樂用房面積120 m²，太餐廳面積110 m²。

4 3 氣象數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)計(jì)算： t_w=36℃，t_N=29℃。

預(yù)測計(jì)算：利用該市年平均氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算13期為6月 1 日至 9月 30日

4．4 計(jì)算結(jié)果：由優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算程序計(jì)算出該地道在設(shè)計(jì) 工況下送風(fēng)的最佳通風(fēng)量為 18000m³／h，最大供冷量為27．3 kW。由于該地道長度不夠，供冷量不能同時(shí)滿足辦公房、餐 廳、娛樂用房的需要，只能在時(shí)間上錯(cuò)開使用，以滿足各自的要求 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置電動風(fēng)閥來進(jìn)行送風(fēng)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，以辦公用房為例，進(jìn)行用地道風(fēng)通風(fēng)降溫時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境的預(yù)測計(jì)算(計(jì)算期為 6月1日至9月 30 ，每天8：00—18：00)，并統(tǒng)計(jì)出室溫分布頻度(見表 1，只列出21一39℃溫度段)，其中，“自然室溫 代表不設(shè)通風(fēng)系統(tǒng) 時(shí)室內(nèi)空氣的溫度。由此表可以看出用地道風(fēng)通風(fēng)降溫的效果，結(jié)果表明該通風(fēng)系統(tǒng)能滿足辦公用房的降溫要求，且效果顯著。

表 1 溫度分布頻度（小時(shí)數(shù))

另外，計(jì)算顯示表明，地道風(fēng)通風(fēng)起用時(shí)問為6月中旬停用時(shí)間為9月中旬；辦公用房通風(fēng)年運(yùn)行時(shí)數(shù)為369小時(shí)該通風(fēng)系統(tǒng)建成投運(yùn)已兩年，使用效果良好，滿足了用戶的要求

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)地分析了地道風(fēng)通風(fēng)降溫的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并開發(fā)了用地道風(fēng)通風(fēng)的室內(nèi)熱環(huán)境預(yù)測程序，為地道風(fēng)降溫工程的設(shè)計(jì)、決策和運(yùn)行管理提供了有效的設(shè)計(jì)、分析手段。