265 利用地下空間通風對空氣降溫的數(shù)值模擬和分析

1、利用地下空間通風對空氣降溫的數(shù)值模擬和分析NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF APPLYING THE UNDERGROUND SPACE VENTILATION FOR AIR COOLING同濟大學 金敏剛 張旭摘 要：本文對空氣通過地下空間時的能量傳遞過程建立了簡化數(shù)學模型。并通過與相關(guān)文獻中的計算方法相比較驗證了該模型的可靠性。同時根據(jù)已驗證的模型，對上海某實際工程利用地下空間通風系統(tǒng)冷卻空氣的過程進行了數(shù)值模擬，并進一步分析了通風量，地下空間尺寸，系統(tǒng)運行時間以及運行方式對降溫效果的影響。關(guān)鍵詞：地下空間通風；降溫；數(shù)值模擬0 前言隨著社會的建設(shè)

2、和發(fā)展，我國城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建造了大量的地下人防工程。目前，除了部分人防工程用于倉庫、旅館、舞廳外，其余幾乎都處于閑置狀態(tài)。另外，一些新建造的高層建筑也建造了地下停車場或地下室(一層，二層或更多層)，而這些地下室中很大一部分也作為發(fā)展用房閑置。在上海，目前約有30左右的住宅大樓地下室未利用或未全部利用。另一方面，由于土壤的蓄熱能力，地溫隨著地表深度的增加而衰減和延遲。當?shù)竭_一定深度后，地溫為一個常數(shù)1。一般認為在地下5m處，土壤溫度穩(wěn)定在該地區(qū)的空氣年平均溫度,如在上海地區(qū)，地下5米處的土壤溫度為18左右2。土壤的熱惰性使得這些地下建筑擁有冬暖夏涼的特點。因此，在夏季，這些地下空間可以用作天然的冷源

3、對空氣進行降溫，以達到降低空調(diào)負荷的目的。夏季溫度較高的室外空氣被送入地下室空間，與具有較低溫度的地下建筑圍護結(jié)構(gòu)進行換熱，將自身的熱量通過圍護結(jié)構(gòu)傳給土壤，使得圍護結(jié)構(gòu)和土壤的溫度逐漸升高，同時自身也達到降溫的效果。 本文對地下空間通風中的能量傳遞過程進行簡化并建立相應(yīng)的數(shù)學模型，并通過數(shù)值模擬進一步分析了利用地下空間作為天然冷源對室外空氣進行降溫的影響因素。1 地下空間通風降溫動態(tài)模型對于一般通風地下空間，工程中常采用文獻4中的計算式來估算夏季地下空間內(nèi)空氣的溫度。這種計算方法主要考慮室外空氣溫度年周期性波動和日周期性波動對地下空間內(nèi)的空氣溫度的影響，只能粗略計算夏季地下空間內(nèi)空氣的平均溫

4、度及波幅，不能計算地下空間逐時的冷卻空氣能力。因此需要建立一個動態(tài)模型來逐時計算室外空氣經(jīng)地下空間冷卻后的溫度，并較準確地模擬地下空間通風降溫的效果,為工程設(shè)計提供幫助。1.1 模型假設(shè)條件1）土壤物性為常數(shù)；本項研究工作得到了上海市科學技術(shù)委員會的資助，資助課題編號為08DZ12039002）忽略了空氣與土壤中的濕傳遞；3）認為地下室內(nèi)均勻送風，室內(nèi)空氣溫度均勻一致；4）將空氣與土壤之間的傳熱過程近似為帶有第三類邊界條件的半無限大物體傳熱模型。如圖1所示：圖1 簡化的空氣與土壤之間的傳熱示意圖1.2 對空氣側(cè)建立能量守恒方程當系統(tǒng)通風時：(1)當系統(tǒng)間歇時：(2)其中，為空氣的密度，kg/m

5、3 C為空氣的比熱容，J/(kg·) V為地下空間的容積，m3 G為地下空間內(nèi)的通風量， m3/sF地下空間的有效換熱面積（與土壤接觸），m2 為地下空間中的空氣的溫度， 為系統(tǒng)運行階段各個時刻的室外空氣溫度， 為地下空間圍護結(jié)構(gòu)表面的溫度， 為地下空間圍護結(jié)構(gòu)的表面換熱系數(shù)，W/(m2·) 為時間，s1.3 土壤側(cè)導熱方程(3)其中，為土壤的溫度，為土壤熱擴散系數(shù), m2/s土壤初始條件：(4)邊界條件：(5)(6)其中， 土壤恒溫層溫度，2 動態(tài)模型的求解上述數(shù)學模型為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，采用有限差分法求解，空間上采用中間差分格式，時間上采用全隱格式3。利用數(shù)值計算軟件編寫

6、相應(yīng)的程序進行計算，求解各個時刻的地下空間空氣的溫度和土壤的溫度場。計算機求解程序的流程圖如圖2所示：初始Ts(x)，Ta是否通風設(shè)定運行與間歇時間調(diào)用Tout()，上個時刻的Ts(x)，Ta 調(diào)用通風時的模型，求解線性方程組 調(diào)用上個時刻的Ts(x)，Ta調(diào)用間歇時的模型，求解線性方程組 存儲求解結(jié)果 是否結(jié)束輸出結(jié)果開 始結(jié) 束YNN圖2 計算機求解程序流程圖3 模型的驗證：為了驗證計算模型的合理性，本文選擇對一個算例進行動態(tài)模擬，并用文獻4中介紹的一般通風地下空間中夏季室內(nèi)空氣溫度的計算式對該算例進行計算，然后將其與模擬結(jié)果進行對比驗證。在該算例中：一地下建筑，長100m，寬9m，高7m

7、，換熱表面積為3200m2，容積為6300m3；建筑物的周圍為巖石，導熱系數(shù)為3.0 W/(m·)，熱擴散系數(shù)為12.5×10-7m2/s；該地下空間的內(nèi)表面為400mm厚的鋼筋混凝土襯砌，其導熱系數(shù)為1.5 W/(m·)，熱擴散系數(shù)為8.3×10-7m2/s；內(nèi)表面的換熱系數(shù)為：8.13W/( m2·)。通風量為40000m3/h。氣象參數(shù)采用上海的典型氣象年數(shù)據(jù)5。采用文獻4中介紹的計算式，可以得出夏季地下空間內(nèi)空氣的日平均溫度為26.2，日平均最高溫度為28.6，日平均最低溫度為25.1。利用本文前述的方法模擬該地下建筑在整個7月份中空氣

8、的逐時溫度。圖3 7月份地下空間內(nèi)逐時空氣溫度模擬結(jié)果如圖3所示，地下空間內(nèi)空氣的日平均溫度為25.7，比上述計算結(jié)果小2%；日平均最高溫度為27.1，比上述計算結(jié)果小5%；日平均最低溫度為24.6，比上述計算結(jié)果小2%?？梢缘贸觯M結(jié)果與上述的計算結(jié)果基本相吻合，從而驗證了本文中的動態(tài)計算模型的可靠性。4 實例模擬與分析上海某個實際工程，其建成投入使用后，將有一地下二層開闊空間作為發(fā)展用房閑置。該地下空間的地面標高為-15.6m,尺寸為長100m，寬110m，高8.2m；其有效換熱面積為13700m2。圍護結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，其厚度為1500mm，導熱系數(shù)為1.74 W/(m·)，

9、熱擴散系數(shù)為7.6×10-7m2/s，空氣與地下圍護結(jié)構(gòu)之間的表面換熱系數(shù)為7 W/(m2·)6。周圍的土壤的參數(shù)按照砂質(zhì)粉土取值，其導熱系數(shù)為1.3 W/(m·)，熱擴散系數(shù)為5.8×10-7m2/s。 土壤遠邊界的溫度恒定為18.2；土壤和地下空間內(nèi)的空氣的初始溫度設(shè)置為18.2。本文采用上海6月中旬9月中旬連續(xù)三個月的氣象參數(shù)作為輸入條件，對該地下空間的通風降溫效果進行逐時模擬，并分析了不同的通風量，地下建筑尺寸，系統(tǒng)運行時間及運行方式對冷卻空氣能力的影響。氣象參數(shù)采用上海地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)5。4.1不同通風量對降溫效果的影響模擬了通風量分別為2

10、0000m3/h, 40000m3/h, 60000m3/h, 80000m3/h, 100000m3/h的工況下，空氣通過該地下空間后的溫度，以及該地下空間整個夏季（6月中旬9月中旬）提供的冷量。圖4 不同通風量下地下空間內(nèi)空氣的日平均溫度 圖5 不同通風量下室內(nèi)外空氣溫差 圖6 不同通風量在整個夏季提供的冷量如圖4所示,當室外空氣經(jīng)過地下空間后，溫度降低且溫度波動的振幅也減小?？諝鉁囟冉档偷某潭仁艿酵L量的影響顯著。隨著通風量的增加，利用地下建筑對空氣進行降溫的效果逐漸減小，且溫度的波幅逐漸增加。如圖5所示，當通風量從2萬m3/h增加到10萬m3/h時，地下空間內(nèi)的空氣與室外空氣的平均溫差

11、由5.3下降到2。另外，就該地下空間整個夏季對空氣的供冷量而言，由圖6所示，通風量越大，供冷量越大。通風量由2萬m3/h增加到10萬m3/h時，供冷能力由7.8萬kWh增加到15萬kWh，并且可以發(fā)現(xiàn)，在較小通風量下，隨著通風量的增加，供冷量明顯增加；當通風量較大時，隨著通風量的增加，供冷能力增加比較平緩。4.2不同地下建筑尺寸對降溫效果的影響模擬了保持通風量為40000m3/h 和地下建筑的容積不變，改變有效換熱面積的大小以及保持通風量為40000m3/h 和地下建筑的有效換熱面積不變，改變地下建筑容積的大小這兩種假設(shè)情況下的冷卻空氣能力的變化。 圖7 地下空間在不同換熱面積下整個夏季的供冷

12、量 圖8 地下空間在不同容積下整個夏季的供冷量由圖7所示，地下空間換熱面積的改變對該地下空間整個夏季的供冷能力有顯著的影響。當?shù)叵驴臻g的換熱面積增加時，供冷量也相應(yīng)增加。然而由圖8所示，地下空間的容積的改變對供冷能力基本沒有影響。因此可以得出，對于一個地下空間，當其體型系數(shù)比較大時，能提供更大的冷卻空氣的能力4.3 系統(tǒng)運行時間降溫效果的影響模擬了通風量為40000m3/h的情況下，6月中旬9月中旬這段時間內(nèi)，室外空氣經(jīng)過地下空間冷卻后的日平均溫度。圖9 空氣經(jīng)地下空間冷卻后的日平均溫度趨勢如圖9所示，由室外空氣日平均溫度的變化趨勢線與空氣經(jīng)過地下空間后的日平均溫度的變化趨勢線相比較可以得出：

13、在整個夏季運行工況中，隨著系統(tǒng)運行時間的增加，地下空間冷卻空氣的能力有一定程度的降低。其主要原因是由于在整個運行過程中，室外空氣經(jīng)過地下空間時將熱量通過地下圍護結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移給土壤，使得地下空間周圍土壤的溫度有所提高，然而土壤較大的蓄熱能力削弱了空氣向土壤傳遞的熱量對土壤溫度的影響，因此周圍土壤溫升幅度較小，使空氣降溫的能力產(chǎn)生一定程度的衰減。4.4 系統(tǒng)運行方式對降溫效果的影響模擬了通風量為40000m3/h，系統(tǒng)連續(xù)運行和間歇運行（每天10：0022：00之間運行）這兩種運行方式對地下空間的供冷能力的影響。圖10 兩種運行方式下空氣經(jīng)地下空間后的溫度圖11 兩種運行方式下地下空間白天的供冷能力由

14、于在間歇運行工況下，通風系統(tǒng)夜間不運行，地下空間周圍的土壤有一段時間的恢復期，使得在白天能提供較高的供冷能力。如圖10所示，在7月27，28，29這三天內(nèi)，間歇運行工況下，白天空氣經(jīng)過地下空間后的溫度比連續(xù)運行要低1.2左右。另外，通過對兩種運行方式下,地下空間的平均供冷能力的計算，由圖11所示，間歇運行工況中，地下空間的供冷能力比連續(xù)運行要提高近45%。5 結(jié)論本文將空氣通過地下空間時，空氣側(cè)的換熱過程與土壤側(cè)非穩(wěn)態(tài)導熱過程相耦合，建立了簡化的動態(tài)能量傳遞模型，通過與文獻中的計算方法相比較驗證了該模型的可靠性。另外，本文利用該模型模擬了上海某實際工程中，地下空間冷卻室外空氣的效果，并分析了各種因素對這種降溫效果的影響，得到以下結(jié)論：1）利用地下空間通風對室外空氣進行預(yù)冷的效果顯著。2）增加通風量會降低地下空間對空氣的冷卻效率，但就整個夏季而言，可以提高總的供冷量，且當通風量較大時，隨著通風量增加供冷量提高不明顯。3）具有較大體型系數(shù)的地下空間能提供更大的冷卻空氣的能力。4）當通風系統(tǒng)運行時間較長時，地下空間對空氣的降溫能力有一定程度的衰減。5）間歇運行的方式可以使地下空間白天的供冷能力比連續(xù)運行時提高近45%。參 考 文 獻(1) 劉曉燕,趙軍等. 土壤恒溫層溫度及深度研究J.太