太陽能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)連續(xù)自然通風(fēng)可靠性實驗研究

鄭迪萌，龍?zhí)旌樱~ 愷，盧 軍，李永財

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑能耗在社會總能耗中所占的比重逐漸升高.據(jù)統(tǒng)計，建筑部門能耗占全球總能耗的30%，其二氧化碳排放量占28%[1]，截止2018年，我國建筑能耗占全國總能耗的21.7%，且呈上升趨勢[2].在建筑能耗中，用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比高達60%[3]，其中通風(fēng)系統(tǒng)能耗占比20%～30%[4].而目前所用能源大多是以化石燃料為代表的不可再生能源.因此，降低建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗、利用可再生能源代替部分常規(guī)能源，是當前節(jié)能減排背景下的必然要求.

土壤-空氣換熱器(earth-to-air heat exchanger，EAHE)也稱作地道風(fēng)系統(tǒng)，其以空氣為換熱介質(zhì)，利用深層土壤的熱慣性，使空氣在地埋管內(nèi)與土壤換熱，在夏季對空氣進行預(yù)冷，冬季進行預(yù)熱，從而減小房間冷熱負荷，降低能耗[6-7].太陽能煙囪(solar chimney，SC)是利用熱壓驅(qū)動空氣流動的裝置，其吸收太陽輻射，將熱能轉(zhuǎn)換為動能，為空氣流動提供動力[8-10].如果土壤-空氣換熱器與太陽能煙囪合理結(jié)合，形成SC-EAHE被動耦合系統(tǒng).太陽能煙囪提供的浮升力取代風(fēng)機驅(qū)動室外空氣進入地埋管，在管內(nèi)與土壤進行換熱，之后由地埋管出口進入房間，將室內(nèi)余熱和污染物帶出室外.M.Maerefat 與 A.P.Haghighi[11]通過理論分析指出 SC 可以為 EAHE運行提供足夠的熱壓動力，SC和EAHE合理配合使用，即使在太陽輻射強度100 W/m2和空氣溫度高達50 ℃的不利氣候下仍能營造比較舒適的室內(nèi)熱環(huán)境.Y.Yu 與 H.Li 等[12-13]通過實測表明在 SC+EAHE聯(lián)合運行下，室內(nèi)熱環(huán)境適宜.Serageldin等人[14-15]設(shè)計和數(shù)值研究了SC+EAHE系統(tǒng)，并觀察到室內(nèi)空氣溫度在夏季比室外空氣溫度低約9 ℃.Li Y[16]等人對SC-EAHE耦合系統(tǒng)進行了日周期內(nèi)的連續(xù)測試，實驗結(jié)果表明，通過太陽能煙囪和建筑圍護結(jié)構(gòu)的合理配合，可使該耦合系統(tǒng)在夏季實現(xiàn)24 h連續(xù)自然通風(fēng)，且通風(fēng)效果良好.然而，上述文獻缺乏對耦合系統(tǒng)多日連續(xù)運行的研究.作為全被動式系統(tǒng)，SC-EAHE系統(tǒng)性能取決于當?shù)氐耐寥佬罘艧崮芰吞鞖鉅顩r，其中，太陽輻射強度對耦合系統(tǒng)運行性能有較大影響[17-18].為了研究夏季連續(xù)自然通風(fēng)時，不同天氣條件下耦合系統(tǒng)的可靠性，以及該系統(tǒng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，本文利用現(xiàn)有全尺寸SC-EAHE耦合系統(tǒng)實驗臺，對系統(tǒng)相關(guān)性能參數(shù)進行了為期一周的連續(xù)測試，探究在室外氣象條件變化的情況下耦合系統(tǒng)多日連續(xù)運行自然通風(fēng)穩(wěn)定性、土壤溫度的變化及恢復(fù)情況以及耦合系統(tǒng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

1 實驗平臺及測試內(nèi)容

1.1 實驗平臺介紹

本文搭建的全尺寸實驗平臺位于安徽省銅陵市樅陽縣，銅陵位于安徽省中南部，介于北緯30°45′～31°09′、東經(jīng)117°35′～118°09′之間，屬于典型的夏熱冬冷地區(qū).該實驗平臺工作示意圖如圖1所示，主要包含被測試房間、土壤-空氣換熱器(地埋管)和太陽能煙囪.被測試房間分為實驗房間和對比房間，兩個房間的尺寸均為3 m×3 m×3 m(長×寬×高)，為西南朝向.對比房間不安裝任何溫度調(diào)控設(shè)備，實驗房間與地埋管出口和太陽能集熱器入口相連.房間圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示.

圖1 實驗臺工作示意圖

地埋管為PVC管[19]，管徑為0.3 m[20]，由傾斜入口段、水平工作段和垂直出口段組成，傾斜入口段與水平面成45°傾角，以減少入口段局部壓力損失；垂直設(shè)置的出口段可以使空氣沿管徑方向流動更均勻，同時，由于靠近地表的土壤受室外天氣影響較大，將地埋管出口段用聚苯乙烯保溫材料包裹，盡量減小垂直出口段土壤與管內(nèi)空氣的熱交換.研究表明，土壤溫度在地下2.5～3 m基本穩(wěn)定[21]，故將30 m長的水平管段布置于地下3 m.空氣由傾斜入口段進入地埋管，經(jīng)由水平工作段與土壤換熱，再由垂直出口段進入房間.太陽能煙囪由太陽能集熱器和垂直煙囪兩部分構(gòu)成.其中，太陽能集熱器尺寸為7 m×1.5 m×0.3 m(長×寬×高)，為提高其對太陽能的吸收能力，將其按與水平面成30°傾角設(shè)置在屋頂上，通過0.9 m×0.3 m的孔與實驗房間相連，其集熱板用高吸收率的吸熱漆進行噴涂以提高其吸熱能力，四個側(cè)面和背面均用聚苯乙烯板做保溫處理；用四塊等面積的玻璃板作為集熱器的上表面，太陽輻射通過玻璃板被集熱板吸收.太陽能集熱器的相關(guān)物性參數(shù)如表1所示.垂直煙囪高6 m，直徑0.3 m，且做了隔熱處理以減少熱量損失.地埋管入口和煙囪出口均安裝防雨帽，以防止雨水雜物進入，并減小外界風(fēng)壓對測試的影響.

表1 集熱器物性參數(shù)

1.2 測試儀器選擇及測點布置

為了分析SC-EAHE耦合系統(tǒng)夏季連續(xù)多日運行的自然通風(fēng)特性，以及其對室內(nèi)溫度和土壤溫度的影響，測試的主要參數(shù)包括：地埋管進出口空氣溫濕度、地埋管中心空氣溫度、地埋管周圍土壤溫度、太陽能集熱器表面溫度、地埋管出口空氣流速、室內(nèi)空氣溫度、太陽輻射強度等.

使用HOBO溫濕度自動記錄儀測量地埋管進出口溫濕度.使用螺紋探頭式K型熱電偶測量地埋管中心空氣溫度和土壤溫度，在地埋管水平段共設(shè)置6組溫度測點，距水平管段入口5 m處記為T1，沿管內(nèi)空氣流動方向每隔5 m設(shè)置一組測點，為T2～T6，每組溫度測點包含1個空氣溫度測點和6個土壤溫度測點.空氣溫度測點設(shè)置于管道中心線，為1C～6C；土壤溫度測點分別設(shè)置在管道截面的水平與垂直方向，距離外壁每隔15 cm(0.5倍管徑)設(shè)置一處，每個截面豎直和水平方向各設(shè)置3個，分別為3V-1～3V-3和3H-1～3H-3(以T3處為例).使用球形K型自粘式熱電偶測量集熱器表面溫度，集熱器內(nèi)每隔1.4 m設(shè)置一組溫度測點.使用Omega工業(yè)用熱線風(fēng)速傳感器測量地埋管出口風(fēng)速，風(fēng)速測點按等圓環(huán)面積法均勻布置在地埋管出口截面處.使用螺紋探頭式K型熱電偶測量室內(nèi)空氣溫度，實驗房間和對比房間中心距地板1.7 m高度處各設(shè)置1個溫度測點.使用RS-RA-I120-JT太陽能輻射變送表測量太陽輻射，變送表放在室外無遮擋的水平面上.所有熱電偶在安裝前均用冰水混合物進行標定.地埋管中心空氣溫度測點與土壤溫度測點如圖2所示.集熱器表面溫度測點如圖3所示.風(fēng)速測點布置如圖4所示.

圖2 地埋管中心空氣溫度測點與土壤溫度測點布置圖(以T3處為例)

圖3 太陽能集熱器表面溫度測點布置圖

圖4 地埋管出口風(fēng)速測點布置圖

1.3 測試儀器精密度分析

實驗不確定性分為內(nèi)部不確定性和外部不確定性.

對于內(nèi)部不確定度，在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上計算為

(1)

對于外部不確定度，采用均勻分布計算，即

(2)

式中：μi為外部不確定性；ei為測量儀器的最大誤差.

總的誤差可以表示為

(3)

式中：σ為總不確定性；p為內(nèi)部不確定性的數(shù)量；r為外部不確定性的數(shù)量.

本文中使用的所有設(shè)備的規(guī)格以及基于式(1)～(3)計算的最大誤差容限(99%置信區(qū)間)見表2.

表2 測試儀器型號及精度

2 相關(guān)參數(shù)計算

地埋管出口風(fēng)量計算為

Va=3 600·πd2va/4

(4)

式中：Va為風(fēng)量，m3/h；va為空氣流速，m/s；d為地埋管直徑，m.

地埋管制冷量計算為

Qt=Vaρa(hi-ho)

(5)

式中：Qt為制冷量，W；hi、ho為EAHE的進、出口空氣焓值，J/kg；ρa為空氣密度，取值為1.18 kg/m3.

空氣焓值計算為

h=1.01T+(2 500+1.84T)ω

(6)

式中：ω為空氣含濕量，g/kg；T為空氣溫度，℃.

空氣含濕量計算為

(7)

式中：φ為空氣相對濕度，%；Ps為水蒸氣分壓力，Pa；P0為當?shù)卮髿鈮毫Γ琍a.

其中，Ps與P0滿足下列方程.

(8)

式中：C1=-7.902 98,C2=5.028 08,C3=-1.381 6×10-7,C4=8.132 8×10-3.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 太陽能集熱器表面溫度

圖5所示為太陽能集熱器不同位置的溫度變化情況.

圖5 太陽能集熱器表面溫度變化圖

由圖可知，白天集熱器表面溫度隨太陽輻射強度變化呈周期性變化，在太陽輻射較弱時，集熱器表面溫度大約在20 ℃左右輕微波動，當太陽輻射強度變大，集熱器表面溫度快速升高，到14∶00左右達到最大值約100 ℃，然后逐漸下降，最終穩(wěn)定在20 ℃左右.這說明在測試期間，太陽能集熱器運行穩(wěn)定，可以為整個耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)條件.

3.2 地埋管出口風(fēng)量

圖6所示為地埋管出口風(fēng)量變化.風(fēng)量的大小直接關(guān)系到耦合系統(tǒng)向室內(nèi)輸送冷/熱量的多少，是描述耦合系統(tǒng)運行性能的關(guān)鍵參數(shù).由前述理論分析可知，地埋管出口風(fēng)量呈周期性變化，白天取決于太陽輻射強度，夜晚取決于室內(nèi)外溫差.由圖可知，風(fēng)量的峰值比太陽輻射強度的峰值出現(xiàn)有一定的延遲，這是由于太陽能集熱器的升溫需要一定時間.最大通風(fēng)量一般出現(xiàn)在每天下午13∶30左右，且其峰值在230～280 m3/h之間，換氣次數(shù)為8.5～10.4次/h.夜晚由于室內(nèi)外溫差的存在，風(fēng)量仍能保持著100～175 m3/h左右.在測試期間，9月9日天氣為多云，太陽輻射強度較低，故系統(tǒng)風(fēng)量在白天相較其他幾日有所下降，峰值為170～220 m3/h，但仍能在全天保持自然通風(fēng)過程，換氣次數(shù)為6.3～8.1次/h.說明耦合系統(tǒng)在太陽輻射不足的情況下仍能維持較好的通風(fēng)效果.

圖6 地埋管出口風(fēng)量與太陽輻射強度變化圖

3.3 地埋管進出口溫度

圖7所示為測試期間地埋管進出口空氣溫度變化情況.由圖可知，地埋管進出口溫度均呈現(xiàn)周期性變化，與地埋管進口相比，其出口溫度波動幅度明顯減小.在測試期間，地埋管進口溫度在18～36.4 ℃波動，波動幅度為18.4 ℃，而出口溫度在25.8～27 ℃之間波動，波動幅度為1.2 ℃，波動幅度比室外空氣減小了93.48%.地埋管進口最高溫度為36.4 ℃，出現(xiàn)在9月7日16∶00左右，此時對應(yīng)的出口溫度為27 ℃，溫度降低9.4 ℃；地埋管進口最低溫度為18 ℃，出現(xiàn)在9月7日5∶00左右，對應(yīng)出口溫度為25.8 ℃，溫度升高7.8 ℃.說明地埋管可以有效對室外空氣進行冷卻和加熱，從而維持出口空氣溫度穩(wěn)定，改善室內(nèi)熱環(huán)境.

圖7 地埋管進出口空氣溫度變化圖

3.4 地埋管進出口相對濕度

圖8所示為地埋管進出口空氣相對濕度及進口空氣溫度變化情況.地埋管進口空氣的相對濕度在24.1%～98.6%之間變化，變化趨勢與進口空氣溫度變化相反，出口空氣相對濕度波動明顯較小，變化范圍為49.1%～84.1%，波動幅度比室外空氣溫濕度減小了53%.這說明地埋管可以有效地將送入室內(nèi)空氣的相對濕度維持在比較穩(wěn)定的范圍.

3.5 制冷量

圖9所示為地埋管制冷量與太陽輻射強度的變化情況，由圖可以看出，隨著太陽輻射強度變化，制冷量變化較大.在太陽輻射較強的幾天，即9月3日至9月8日，制冷量峰值在600～800 W波動；9月9日天氣為多云，太陽輻射強度相對前幾天較低且不穩(wěn)定，制冷量減少為400～600 W，降幅達33%.顯然，耦合系統(tǒng)制冷量隨太陽輻射強度的增加而增加，反之亦然.此外，如圖8所示，制冷量峰值的出現(xiàn)比太陽輻射強度峰值的出現(xiàn)滯后了約1～1.5 h，而我們希望在太陽輻射強度最大時可以達到最大制冷量.故若能進一步對耦合系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，減小太陽輻射強度與系統(tǒng)制冷量之間的時間延遲，提升二者的匹配關(guān)系，將會進一步提升耦合系統(tǒng)的性能.

圖8 地埋管進出口空氣相對濕度與進口空氣溫度變化圖

圖9 制冷量與太陽輻射強度變化圖

3.6 室內(nèi)溫度

圖10所示為實驗房間和對比房間的室內(nèi)空氣溫度變化情況.由圖可知，在測試期間，實驗房間與對比房間溫度變化趨勢基本相同，而實驗房間空氣溫度要低于對比房間，二者的溫差在白天更為明顯，夜晚則相對較小.對比房間室內(nèi)溫度在26.9～36.4 ℃之間波動，平均溫差為5.6 ℃；而實驗房間的溫度波動在26.5～29.9 ℃之間，平均溫差為2.9 ℃，實驗房間的溫度波動比對比房間降低48.2%.同時，實驗房間溫度比對比房間平均降低了2.5 ℃.由此可見，耦合系統(tǒng)在夏季可以有效降低室內(nèi)溫度并減小室溫波動，從而提高室內(nèi)熱環(huán)境水平.

圖10 實驗房間與對比房間室內(nèi)溫度變化圖

3.7 地埋管中心空氣溫度

圖11所示為地埋管長度方向不同位置中心空氣溫度變化情況.由圖可知，在夏季白天，地埋管對空氣有顯著的降溫效果.在水平管段的前15 m，即1C測點到3C測點(2C測點熱電偶損壞造成數(shù)據(jù)缺失)，空氣在這段管道中降溫幅度較大，1C測點空氣平均溫度為35.4 ℃，3C測點為28.2 ℃，溫度降幅達7.2 ℃.相比于水平管段的前15 m，管段后15 m(即4C～6C測點)降溫幅度明顯減小，平均溫降為1.6 ℃.這說明地埋管內(nèi)空氣與土壤的熱交換主要發(fā)生在管段的前半部分.同時，從圖中可以看出，在進口(1C)空氣溫度不同的情況下，30 m處(6C)空氣溫度基本一致，說明地下3 m、長30 m的地埋管對空氣有充分的冷卻作用，并且在進口空氣溫度較高時降溫效果更顯著.夜晚空氣溫度變化規(guī)律與白天相同，但過程相反，由降溫變?yōu)樯郎?

圖11 地埋管中心及出口溫度變化

3.8 土壤溫度

圖12所示為T1組測點所在截面土壤水平方向的溫度變化情況.1H1、1H2、1H3分別距離地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管徑).由圖可知，實驗開始時，三個測點處的土壤溫度基本相同，約為23.85 ℃；實驗開始后，由于和流經(jīng)管內(nèi)的空氣發(fā)生熱交換，土壤溫度開始波動，呈現(xiàn)明顯的周期性變化.其變化規(guī)律與室外空氣溫度變化規(guī)律呈相似的趨勢，但與室外空氣溫度相比，存在峰值的衰減和時間的延遲.從圖10可以看出，距離地埋管越近，土壤溫度越高，測點1H1比1H2平均高0.25 ℃，1H2又比1H3高0.11 ℃，這說明靠近地埋管的土壤與管內(nèi)空氣換熱更多，其受空氣溫度影響更大，故升溫更明顯.在系統(tǒng)連續(xù)運行期間，1H1～1H3測點的土壤溫度相比實驗開始時均呈現(xiàn)上升趨勢，各測點溫度峰值如表3所示.

圖12 管道截面水平方向土壤溫度變化

表3 不同測點土壤溫度峰值

由表3可知，1H1測點的升溫幅度明顯高于1H2和1H3，且隨著系統(tǒng)運行時間的延長，各點的升溫幅度開始逐漸減小，造成這一現(xiàn)象的原因有兩點，一是隨著土壤溫度的上升，土壤與空氣間的溫差逐漸減小，傳熱效果逐漸減弱；二是夜晚室外空氣溫度較低，冷空氣進入地埋管與土壤換熱，使土壤被冷卻，從而與白天的溫升抵消，達到熱平衡.由此可知，合理進行夜間通風(fēng)，充分利用夜晚冷空氣對土壤的降溫作用，有利于土壤溫度的恢復(fù)，從而增加耦合系統(tǒng)連續(xù)運行的穩(wěn)定性.

圖13所示為T1組測點所在截面土壤豎直方向的溫度變化情況.1V1、1V2、1V3分別距離地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管徑).與水平方向類似，由于室外空氣溫度的影響，豎直方向土壤溫度呈周期性變化，且相比室外空氣存在峰值衰減和時間延遲.在實驗開始時，由于埋深不同，相鄰測點間有約0.5 ℃的溫差，埋深最深的1V1測點溫度低，為24.4 ℃；1V2測點次之，為24.9 ℃；埋深最淺的1V3測點溫度最高，為25.3 ℃.1V2和1V3測點變化規(guī)律與水平方向基本一致，在前5天每日約升溫0.2 ℃，后兩天趨于穩(wěn)定.1V1測點變化規(guī)律卻與其他測點有較大區(qū)別，其波動幅度更大，峰值持續(xù)時間更短，這是由于1V1測點靠近地埋管，受室外空氣溫度影響更大.

圖13 管道截面垂直方向土壤溫度變化

土壤溫度能否恢復(fù)是決定地埋管是否能穩(wěn)定連續(xù)運行的關(guān)鍵因素.圖14所示為1H1測點土壤在系統(tǒng)工作期與恢復(fù)期的溫度變化情況.在系統(tǒng)連續(xù)運行一周結(jié)束后，馬上將地埋管進出口用密封蓋進行密封，然后對土壤溫度變化進行觀測，直到土壤溫度恢復(fù)穩(wěn)定.

圖14 連續(xù)運行和恢復(fù)期間土壤溫度的變化

在系統(tǒng)連續(xù)運行期間，1H1測點由于位于地埋管進口附近，故最先受到進口空氣溫度影響，導(dǎo)致運行期間溫度持續(xù)升高，直到第六天溫度才趨于穩(wěn)定.該測點土壤初始溫度為23.9 ℃，系統(tǒng)連續(xù)運行一周后溫度為24.7 ℃，升高了0.8 ℃.在恢復(fù)期內(nèi)，土壤溫度逐漸降低，在9.10～9.12期間土壤降溫幅度較大，之后降溫速率減小，最終在9.16恢復(fù)系統(tǒng)運行前的初始溫度.由此可見，盡管土壤只有不到1 ℃的溫升，在自然狀態(tài)下卻需要6 d才能恢復(fù)至初始狀態(tài).由表3結(jié)論可知，夜間室外冷空氣對土壤有良好的降溫效果，因此，充分利用夜間通風(fēng)，發(fā)揮夜間空氣的自然冷源作用，對土壤溫度的恢復(fù)有積極作用.

4 結(jié)論

為研究SC-EAHE耦合系統(tǒng)在室外氣象條件變化的情況下多日連續(xù)運行的可靠性，以及其對室內(nèi)溫度的影響，本文利用全尺寸的實驗平臺，對系統(tǒng)相關(guān)性能參數(shù)及室內(nèi)溫度進行了為期一周的連續(xù)測試，得出以下結(jié)論：

(1)SC-EAHE耦合系統(tǒng)在夏季連續(xù)運行中可以穩(wěn)定提供風(fēng)量，其峰值在太陽輻射充足時可達230～280 m3/h，在太陽輻射強度較低時，峰值為170～220 m3/h，可以為建筑提供全天自然通風(fēng).

(2)系統(tǒng)制冷量隨太陽輻射強度的增加而增加，在太陽輻射充足時，制冷量峰值達600～800 W，太陽輻射強度較低時峰值為400～600 W.

(3)地埋管在夏季可以減小室外空氣溫濕度波動，出口溫度波動范圍為25.8～27 ℃，相對濕度波動范圍為49.1%～84.1%，波動幅度相較入口分別降低了93.48%和53%.

(4)EAHE-SC耦合系統(tǒng)在夏季可以有效降低室內(nèi)溫度，實驗房間平均溫度比對比房間降低2.5 ℃，同時室溫波動降低48.2%，說明耦合系統(tǒng)在夏季可以改善室內(nèi)熱環(huán)境.

(5)系統(tǒng)連續(xù)運行一周后，土壤溫度升高了0.8 ℃，在自然狀態(tài)下需要大約6 d恢復(fù)至初始狀態(tài).若能合理進行夜間通風(fēng)，充分利用夜間空氣作為自然冷源對土壤進行冷卻，將對土壤的溫度恢復(fù)具有積極作用.