郭海豐，張?zhí)鞓校T岑，鄧鈞予，陳鑫

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

1 引言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的開發(fā)利用飛速地促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)與人類社會(huì)的發(fā)展，近年來(lái)建筑能耗隨著建筑總面積的不斷增大，總建筑能耗不斷上升。室內(nèi)熱舒適性是由傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的，這些系統(tǒng)消耗大量能源使建筑物能耗占全球能源使用量的40%左右。近年來(lái)，為了減少加熱或冷卻室內(nèi)空間的能耗，縮小傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的尺寸，許多被動(dòng)技術(shù)引入到暖通空調(diào)的節(jié)能領(lǐng)域。地道風(fēng)系統(tǒng)利用地?zé)崮転榻ㄖ锕峄蚬├洌桥照{(diào)領(lǐng)域的一種有效的節(jié)能技術(shù)，從目前發(fā)展來(lái)看，符合國(guó)際上許多國(guó)家重視新能源利用和可在能生能源開發(fā)的重要資源發(fā)展策略，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)和國(guó)外廣泛地關(guān)注和發(fā)展。

2 地道風(fēng)系統(tǒng)的介紹

地道風(fēng)系統(tǒng)(EATHEs)是利用地道冷卻(加熱)空氣，然后送至地面上的建筑物，達(dá)到引入的室外空氣降溫(升溫)的目的，相當(dāng)于一臺(tái)土壤—空氣的熱交換器，利用地層對(duì)自然界的冷、熱量的儲(chǔ)存作用來(lái)降低建筑物的空調(diào)負(fù)荷。在二十世紀(jì)六十年代，我國(guó)對(duì)地道降溫系統(tǒng)就開始了研究，由于其系統(tǒng)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉，又因?yàn)槠涠臎?，所以在公共建筑，劇院得到了廣泛的運(yùn)用。

地道風(fēng)系統(tǒng)由三部分組成：(1)進(jìn)口部分；(2)地埋管部分；(3)出口部分。其中地道進(jìn)風(fēng)可以是全新風(fēng)、部分新風(fēng)或循環(huán)風(fēng)。地埋管換熱部分，是重要的換熱部件，用于承擔(dān)建筑負(fù)荷?；贓ATH系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于地道風(fēng)系統(tǒng)的研究收到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，目前對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容包括：土壤的熱性能，EATHE的換熱性能，以及地道風(fēng)的尺寸等。

3 土壤的熱性能與建立數(shù)學(xué)模型方法的研究

(1)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)EATHE系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的模型進(jìn)行了研究，并取得重大突破，周翔提出準(zhǔn)三維土壤傳熱傳質(zhì)模型，對(duì)地道通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)空氣與土壤之間的熱物理過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。該三維模型忽略土壤在地道方向的傳熱。一些研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了土壤溫度分布情況，地表溫度會(huì)影響地下土壤溫度，并且可能隨著地球的氣候條件和表面狀況而顯著變化。在任何位置的地表溫度可以通過(guò)以下能量平衡方程確定：

(1)

(2)國(guó)外學(xué)者更多地使用計(jì)算機(jī)對(duì)地道風(fēng)系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)進(jìn)行研究，模擬地道內(nèi)空氣流動(dòng)模型，Hollmuller開發(fā)了一種EATHE仿真模型，該模型執(zhí)行了的能量平衡方程，并考慮了顯熱和潛熱交換，該模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 地道風(fēng)系統(tǒng)的熱性能研究

EATHE的熱性能可能受各種參數(shù)的影響，地表?xiàng)l件，管道的長(zhǎng)度，入口空氣中的含濕量和土壤的潮濕情況等。

(1)地表因素的影響，地下溫度在4米到6米之間的深度幾乎保持不變，大致等于地表日照溫度的年平均值。Mihalakakou研究了裸土和草覆土對(duì)地對(duì)空熱交換器數(shù)量的影響。觀察到草覆土降低了年溫變化，裸土表面系統(tǒng)增加了加熱能力。

(2)管道長(zhǎng)度的影響，Derbel最近的研究表明，EATHE的能量負(fù)荷隨著埋管長(zhǎng)度從10米到30米而增大，但在一定距離處變得飽和，通常地道風(fēng)管長(zhǎng)設(shè)計(jì)在60至70米。

(3)管道埋深的影響：Badescu指出系統(tǒng)的加熱和冷卻潛力通過(guò)增加埋藏深度而增加，但是,對(duì)于埋藏深度大于4米，系統(tǒng)的性能不受影響。因此設(shè)計(jì)地埋管埋深時(shí)，盡量不要超過(guò)4米，這樣不僅可以降低前期的工程投入，也會(huì)保證EATHE系統(tǒng)熱性能的穩(wěn)定性。

(4)管道材料的影響：Bansal等人在他們的研究中考慮了PVC管、鋼管對(duì)EATHE換熱性能的影響，結(jié)果表明管道的材料不會(huì)顯著影響EATHE的換熱性能，是因?yàn)榫哂休^高摩擦系數(shù)的材料由于層流底層厚度的減小而略微改善了EATHE換熱的性能，因此對(duì)流傳熱比傳導(dǎo)傳熱起著更重要的作用。

5 地道風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于地道風(fēng)系統(tǒng)受不同的氣候條件，土壤成分等因素影響，許多國(guó)內(nèi)外研究人員將EATHE系統(tǒng)與其他HVAC技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)地道風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展。

(1)太陽(yáng)能煙囪與EATHE的耦合，Li研究了一種創(chuàng)新的被動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)耦合了EATHE系統(tǒng)與供電的太陽(yáng)能煙囪。太陽(yáng)能煙囪內(nèi)風(fēng)速最高可達(dá)0.28m/ 3s，并引導(dǎo)室外空氣進(jìn)入室內(nèi)。他們觀察到使用室外空氣，耦合系統(tǒng)的最大冷卻能力為2582 W，幾乎等于建筑設(shè)計(jì)的冷卻負(fù)荷。

(2)EATHE系統(tǒng)用作預(yù)熱或預(yù)冷，Their S研究了一種與土壤換熱器相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)，該通風(fēng)系統(tǒng)安裝在巴黎地區(qū)的兩棟建筑物中：一棟建筑配備EATHE系統(tǒng)，包括8根50米長(zhǎng)的PE管道，埋深為1.6米；另一棟建筑是由EATHE系統(tǒng)提供處理過(guò)的室外新鮮空氣，該系統(tǒng)包括6根25米長(zhǎng)的管道，埋深為1.6米。作者通過(guò)研究建立了有效的EATHE模型，用于降低夏季被動(dòng)房的不舒適性，改善室內(nèi)熱舒適性。

6 總結(jié)

本文綜述了地道風(fēng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，分析了地道風(fēng)在建筑通風(fēng)方面的應(yīng)用與發(fā)展，并對(duì)地道風(fēng)與其他技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。在冬季，利用土壤層溫度低于室外環(huán)境溫度，可以作為熱源，減少溫室氣體的排放，具有良好的節(jié)能效果。目前大部分地道風(fēng)的設(shè)計(jì)參數(shù)都只針對(duì)實(shí)例的地道結(jié)構(gòu)，且受氣候影響因素較大，因此在通用性和推廣性上都略顯不足。