廣州某小學(xué)土壤

廣州某小學(xué)土壤－空氣換熱系統(tǒng)夏季降溫的數(shù)值模擬摘要：采用溫度場疊加方法，對土壤－空氣埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，計算了埋管進(jìn)出口溫度隨時間的動態(tài)變化。對廣州某小學(xué)土壤－空氣換熱系統(tǒng)的夏季降溫效果進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果間差別不超過1℃。并對影響土壤－空氣換熱系統(tǒng)降溫性能的因素進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明：換熱器出口溫度隨外界氣溫和土壤表面獲得的輻射能的周期性變化而呈周期性變化；隨著埋管長度的增加和換熱器管徑的減小，換熱器出口溫度降低，而且受氣溫和太陽輻射的影響減小，溫度變化幅度減小，供冷性能提高。本文對土壤自然冷源的有效利用、土壤－空氣換熱器的設(shè)計與降溫性能的評價具有很好的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵字：換熱器夏季降溫數(shù)值模擬自然通風(fēng)1引言在土壤深度方向上，隨著太陽輻射波的衰減和熱量的傳遞，一般地，地表深度4m以下的全年土壤溫度基本可以穩(wěn)定于年平均氣溫，因此可把深層的土壤作為溫度較為恒定的蓄熱體，因地制宜可分別在夏冬兩季把土壤作為冷源和熱源，通過土壤－空氣換熱系統(tǒng)，用于減小建筑空間的空調(diào)負(fù)荷或直接用于降溫、采暖等。近20年來，土壤－空氣換熱系統(tǒng)已被用于溫室[1,2]、醫(yī)院[3]、學(xué)校[4,5]等建筑，在炎熱地區(qū)的夏季，把外界空氣的熱量通過換熱器釋放給土壤，起到降溫和降空調(diào)負(fù)荷的作用，在暖通空調(diào)和建筑節(jié)能方面得到了廣泛的應(yīng)用[6]。廣州地處亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，夏熱時間長，高溫高濕氣候持久，最冷月平均溫度13.3℃，日平均溫度大于等于25℃的天數(shù)100～200天，是夏熱冬暖氣候的代表城市[7]。廣州地區(qū)的空調(diào)設(shè)計，以夏季制冷為主，考慮防熱、除濕等問題，夏季城市居民普遍使用空調(diào)制冷；而冬季大部分時間氣溫都在10度以上，基本上不用采暖問題。廣州最熱月份的室外最高溫度可達(dá)35℃以上，而地下3.2m深處的土壤溫度全年基本維持在25℃左右，并且室外最高溫度的月份出現(xiàn)在7～8月份之間，而地下3.2m深處土壤的最高溫度延遲到10月份左右。因此可以利用地層和室外空氣之間的溫差，使用地下土壤作為自然冷源降溫。2數(shù)學(xué)模型前人的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中濕遷移對傳熱的影響小于0.1%，因此可忽略土壤中的濕分遷移，忽略空氣在換熱器表面上的冷凝，僅考慮顯熱的影響。土壤－空氣換熱系統(tǒng)如圖1示，近換熱器區(qū)的土壤溫度受地表太陽輻射能和換熱器內(nèi)空氣流動換熱的共同作用，采用溫度場疊加方法，把有換熱管存在的溫度場視為受太陽輻射能傳遞影響的自然土壤溫度與受埋管中空氣降溫影響的土壤溫度的疊加。土壤的熱傳導(dǎo)方程為：(1)式中，,Cp,k分別為土壤的密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。土壤－空氣換熱管內(nèi)空氣的能量方程：(2)式中，,Ca,分別為空氣的溫度、密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；為管壁的對流換熱系數(shù)；這里忽略管內(nèi)深度方向的溫度分度。地表為一個很復(fù)雜的邊界條件，有熱傳導(dǎo)、對流、輻射等多種傳熱方式，但土壤間的熱量傳遞與地表和環(huán)境大氣間的換熱量存在平衡關(guān)系，表示為第三類邊界條件：(5)式中，y表示距離土壤表面的深度；,,分別為管壁、室外空氣和土壤表面的溫度。，分別為土壤表面和管壁的對流換熱系數(shù)，表示為土壤表面風(fēng)速和管內(nèi)平均風(fēng)速的函數(shù)：在土壤－空氣換熱系統(tǒng)的進(jìn)口x=0和出口x=L處，忽略x方向的導(dǎo)熱，表示為絕熱邊界條件：對以上控制方程進(jìn)行離散化，聯(lián)合初始條件和邊界條件，采用控制容積法數(shù)值求解，控制容積法嚴(yán)格保證了在控制體積上變量的守恒性。3數(shù)值模擬的實驗驗證簡針對廣州難的夏季氣容候特點，策在廣州某珠小學(xué)建立擋了土壤－歉空氣系統(tǒng)菠降溫的示構(gòu)范工程，懸如濕圖略3辦示。地基遷工程中預(yù)惜埋管梁長臭60主m期，埋管深躺度嬸為樹3.75句湊m松，管悔徑被0.35支狼m揮，扎200鍬2選年興7穩(wěn)月對換熱精管的供冷用性能進(jìn)行某了實驗測收試，通風(fēng)區(qū)量勢2000宴m柴3孝/拼h驗，換熱管清出口溫度宵的實測數(shù)爆據(jù)與模擬久計算結(jié)果暈對比，如釀圖廊4漂示，二者幼吻合較好稀，溫度差租別基本不隨超你過綿1省℃作。警圖額3欣先廣州某小廉學(xué)土壤－鵝空氣換熱擠系統(tǒng)示意膊圖帳圖呼4溜達(dá)換熱器出老口溫度實移測數(shù)據(jù)與事模擬結(jié)果只的對比江4轟饞模擬結(jié)果句與討論絲土壤－空知氣換熱系鏡統(tǒng)的降溫價效果取決蔥于換熱管稈長、管徑戰(zhàn)以及通風(fēng)弄量，采用膝以上數(shù)學(xué)亮模型，對普不同管長都和管徑的該換熱管出世口溫度日閣變化進(jìn)行乎模擬，計聲算時間從仗晚上零點漫至第二日永的零點，擔(dān)入口空氣儀溫度采用椅通用的余朽弦函數(shù)表插示：(9)逝其中，悠t宰－時間喝，孕h缸，變化范責(zé)圍蹈為戰(zhàn)0:0字0挽～紫24:0媽0檔。博4.1罪項換熱管長斤的影響艦對土壤－中空氣換熱急系統(tǒng)，固團定管纏徑鹿0.2顛m宗和平均風(fēng)肉速缺2m/淚s衡，計算換易熱管長度愈不同的情泛況下的出裕口溫度，丙結(jié)果如絕圖虛5瓶示集?？烦袌D貍5足擺不同管長歷條件下?lián)Q柱熱管出口疑溫度的變密化洲祖由結(jié)圖嘴5沸，當(dāng)入口旁空氣溫度牽變化范圍舉為最徑高宰3歲6嗽℃星和最偵低抽27.蚊5樣℃碎，波動振賴幅藏8.足5所℃哈，通過土沈壤－空氣都換熱系統(tǒng)憂的降溫效梯應(yīng)，拍長獻(xiàn)20淘m絹、染40永m(xù)惡和含60候m涌的換熱管測出口溫度座變化分別懷為紫26.1俘~33.鉆6彼℃震(7.緞5定℃嫌)從、厭24.7蔥~31.陜2肝℃鼓(6.侮5礙℃后)折膽和公23.8膏~29.兵5(5片.穗7仍℃汁)揪?？梢?，騰在周期性序的太陽輻購射和入口廊溫度條件釣下，換熱災(zāi)管出口溫匠度亦呈周割期性變化液，但隨著足換熱管長燒度的增加敘，出口溫電度變化的槍幅度明顯胸減小。這恭是由于隨濱著換熱管癢長的增加您，土壤與疾空氣間的錫換熱面積哄和換熱時既間增大，霜空氣降溫狗和供冷效濾果更為明膀顯?？?.2渠歌管徑的影慮響子改變土壤火－空氣換薪熱系統(tǒng)的恨管徑，模朝擬結(jié)果如餓圖糟6賺示，在式叢（巖9累）表示的鋤周期性入既口溫度條融件下，管主徑上為彩0.3爸m稠換熱系統(tǒng)念出口溫度辜變化范圍教為度25.目7萄～聲32.埋6勵℃滑，一導(dǎo)天岡95擾%吵時間內(nèi)溫濾度低舉于隨32.餡5眼℃斜；而管變徑澇0.1啟m珠的換熱管鍬出口溫度拴在鎮(zhèn)95旗%娛時間內(nèi)低男于乓25.霧5聰℃誰，降溫效痕果更為明軟顯，溫度賀范圍更窄程，常為曠22.律3太～資25.搶6悅℃汽，振幅減朱小，換熱搭管的供冷罰效能也更烤為穩(wěn)定。斬?fù)Q熱管管伙徑減小，頓使得土壤蘋與空氣間險的換熱面絲積減小，臣但在平均旱風(fēng)速不變抬的條件下森，空氣的熔流量及其夠需釋放的曉熱量也隨嗓管徑減小方而減小，攜實際降溫者效果由二購者間對比之關(guān)系決定膚，從模擬忙結(jié)果來看討，在換熱新系統(tǒng)半徑尾從訂0.1趟m揭～承0.3鎖m針的變化范花圍內(nèi)，空塑氣流量對諸降溫效果島的影響更共為顯著，撫因此小管盒徑有利于肚得到更低少的出口溫滲度。5結(jié)論必對土壤－肉空氣換熱拾系統(tǒng)出口滴空氣溫度吵的數(shù)值模墻擬結(jié)果表立明：換熱陵器出口溫追度隨外界赴氣溫和土叔壤表面獲頑得的輻射漲能的周期悉性變化而磨呈周期性事變化，但脈隨著換熱余器管長的急增加和管錯徑的減小沾，換熱器嶺出口的空坐氣溫度降嶄低，而且蘭受氣溫和個太陽輻射擁的影響減陶小，溫度聚變化幅度枯減小，供賤冷效能更革為穩(wěn)定。批模擬結(jié)果暴與廣州某奮小學(xué)的實恰際測試結(jié)愧果進(jìn)行了督對比，兩白者間的溫堆度差別基文本不超背過姓1漠蘋℃誰，吻合較砌好。擾本文的研翠究表明：利在我國華孕南地區(qū)如余廣州的夏伙季，以土續(xù)壤為冷源澤，使用土捏壤－空氣旱換熱系統(tǒng)醉能起到較爪好的降溫冬效果，可甚用于降低底學(xué)校等低噸層建筑的驕夏季空調(diào)持負(fù)荷，具擴有很好的銜節(jié)能和環(huán)泥保意義。參考文獻(xiàn)寄1Sa曾ntam級ouri戀sM,素Mih僅alak果akou芳G,干Argi么riou付A,刷eta捎l.晚Ont若hep龜erfo咽rman芹ceo昨fbu攜ildi村ngs均coup扒led獻(xiàn)with礎(chǔ)ear與tht筒oai叛rhe儉ate像xcha做nger休s[J粱].S狠olar梳Ene珠rgy,仇199籮5,5鄙4(6)申:37牧5-38閉0鼠2眼去江晴，李蟻戩洪，梅賽建濱，溫糟室空氣－更土壤換熱揪系統(tǒng)的數(shù)掙值模瓶擬峰[J].貿(mào)鞋太陽能學(xué)翻報跨，京200差2低，軟2束3誓（推2閣）最：此227-樣23商3So素dha禽MS,壺Sha未rma涼AK.晶Eva焦luat腳ion窄ofa拳nea綢rth-柴air-駝tunn興els弊yste型mfo遍rco庫olin千g/he達(dá)atin梢gof濾ah納ospi易tal用comp典lex遇[J].晨Bui堵ldin甜gan拳dEn殘viro束nmen燙t,1蹤985,封20(搜2):1創(chuàng)15-1龜22永4Wu梅HJ烤,Zh計uD燕S,L深iJ,陳et腔al.虧Ther饒mal遇perf妙orma里nce章stud燭ies榨and吩ener賢gyc田onve尸rsat西ion棟pote井ntia惱lof凝an怨eart斤h-ai贈r-pi咽pes倆yste蝶mwi茄thd骨esic落cant車coo第ling干,Pr簽ocee霉ding鳳sof露Int堂erna疾tion志alS博ympo度sium莖of擇Enha覆nced嗓Hea撈tTr版ansf恭er&腦Ene貍rgy邁Cons治erva煩tion蜜,Ch鍬ina,跌200阿4:1迷405-離1411委5Wu葛HJ坦,Zh帳uD奧S,L紙iJ,盞et塔al.刷Ther繭mody逢nami瘡can亦alys漂iso溉fea輸rth應(yīng)cool轟ing攔syst騰emc蠅ombi憲ned識with懇ads漲orpt復(fù)ion拾dehu洋midi決fica洋tion證for功air史con高diti鴨onin潮g[J擦].S鹽outh妄Chi羽naU勞nive恢rsit御yof灶Tec衛(wèi)hnol廢ogy,丙200寶3,3呀1(7)吐:37魂-41葛6Th暈anu顏NM,亞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貫rman艷ceo相fan窄e