地道風系統的研究現狀及發展趨勢

郭海豐，張天樞，馮岑，鄧鈞予，陳鑫

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。能源的開發利用飛速地促進了世界經濟與人類社會的發展，近年來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。室內熱舒適性是由傳統的HVAC系統產生的，這些系統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，為了減少加熱或冷卻室內空間的能耗，縮小傳統暖通空調系統的尺寸，許多被動技術引入到暖通空調的節能領域。地道風系統利用地熱能為建筑物供熱或供冷，是暖通空調領域的一種有效的節能技術，從目前發展來看，符合國際上許多國家重視新能源利用和可在能生能源開發的重要資源發展策略，已經受到國內和國外廣泛地關注和發展。

2 地道風系統的介紹

地道風系統(EATHEs)是利用地道冷卻(加熱)空氣，然后送至地面上的建筑物，達到引入的室外空氣降溫(升溫)的目的，相當于一臺土壤—空氣的熱交換器，利用地層對自然界的冷、熱量的儲存作用來降低建筑物的空調負荷。在二十世紀六十年代，我國對地道降溫系統就開始了研究，由于其系統簡單和造價低廉，又因為其冬暖夏涼，所以在公共建筑，劇院得到了廣泛的運用。

地道風系統由三部分組成：(1)進口部分；(2)地埋管部分；(3)出口部分。其中地道進風可以是全新風、部分新風或循環風。地埋管換熱部分，是重要的換熱部件，用于承擔建筑負荷。基于EATH系統的諸多優點，對于地道風系統的研究收到國內外學者的重視，目前對地道風系統的主要研究內容包括：土壤的熱性能，EATHE的換熱性能，以及地道風的尺寸等。

3 土壤的熱性能與建立數學模型方法的研究

(1)國內學者對EATHE系統傳熱傳質過程的模型進行了研究，并取得重大突破，周翔提出準三維土壤傳熱傳質模型，對地道通風系統內空氣與土壤之間的熱物理過程進行數值模擬。該三維模型忽略土壤在地道方向的傳熱。一些研究人員通過實驗研究了土壤溫度分布情況，地表溫度會影響地下土壤溫度，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以下能量平衡方程確定：

(1)

(2)國外學者更多地使用計算機對地道風系統傳熱傳質進行研究，模擬地道內空氣流動模型，Hollmuller開發了一種EATHE仿真模型，該模型執行了的能量平衡方程，并考慮了顯熱和潛熱交換，該模型根據實驗數據進行驗證。

4 地道風系統的熱性能研究

EATHE的熱性能可能受各種參數的影響，地表條件，管道的長度，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地對空熱交換器數量的影響。觀察到草覆土降低了年溫變化，裸土表面系統增加了加熱能力。

(2)管道長度的影響，Derbel最近的研究表明，EATHE的能量負荷隨著埋管長度從10米到30米而增大，但在一定距離處變得飽和，通常地道風管長設計在60至70米。

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

(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EATHE換熱性能的影響，結果表明管道的材料不會顯著影響EATHE的換熱性能，是因為具有較高摩擦系數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，因此對流傳熱比傳導傳熱起著更重要的作用。

5 地道風系統的實際應用與創新設計

由于地道風系統受不同的氣候條件，土壤成分等因素影響，許多國內外研究人員將EATHE系統與其他HVAC技術相結合，促進地道風系統的發展。

(1)太陽能煙囪與EATHE的耦合，Li研究了一種創新的被動空調系統，該系統耦合了EATHE系統與供電的太陽能煙囪。太陽能煙囪內風速最高可達0.28m/ 3s，并引導室外空氣進入室內。他們觀察到使用室外空氣，耦合系統的最大冷卻能力為2582 W，幾乎等于建筑設計的冷卻負荷。

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

6 總結

本文綜述了地道風技術在國內外研究的現狀，分析了地道風在建筑通風方面的應用與發展，并對地道風與其他技術應用的實例進行簡單的介紹。在冬季，利用土壤層溫度低于室外環境溫度，可以作為熱源，減少溫室氣體的排放，具有良好的節能效果。目前大部分地道風的設計參數都只針對實例的地道結構，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。