嚴寒地區被動式建筑地道風系統應用分析

陳旭 孫金棟 張雨銘 李靜 史思陽 李明月

北京建筑大學環境與能源工程學院

被動式低能耗建筑在國內發展快速[1]，被動式低能耗建筑要求設置帶有高效熱回收裝置的通風系統，冬季室內送風口出風溫度不得低于16 ℃[2-3]。對于我國廣大面積的嚴寒地區和寒冷地區，冬季匹配新風需進行預熱才能滿足送風口出風溫度要求。目前常采用的新風預熱方式以地源熱泵及空氣源熱泵為主。利用天然地層蓄熱（冷）性能的地道風系統預熱新風，具有更好的節能效果和環保效益[4]。劉遠祿等[5]對武漢工業廠房地道風系統地道長度及地道通風量進行研究及優化，得到該地區地道長度及埋深最優值。賈玲玉等[6-7]對地道風系統物理模型進行了簡化，建立了動態換熱模型。張敏等[8]計算了地鐵車站地道風系統逐時換熱量，分析了該系統的節能性。筆者參與了被動式低能耗建筑北京焦化廠居住小區項目和山西大同科技館項目地道風的設計和實施，本文基于對哈爾濱某項目地道風的理論分析，研究嚴寒地區地道風影響因素，并給出合理的地道風管道數量及埋深。

1 地道風系統簡介

地道風系統是指利用土壤中的地熱能去冷卻或加熱室外空氣，并由通風裝置將處理過后的空氣再送 入室內的通風系統，改善室內熱濕環境。在嚴寒地區通過地道系統預熱新風，還可防止新風機組出現結霜等現象[10]。被動式低能耗建筑中地道風系統及新風系統應用示意圖如圖1。

圖1 被動式低能耗建筑中地道風系統應用示意圖

冬季，室外空氣溫度低于地道壁面溫度，新風流經地道時，空氣逐漸被地道壁面加熱。若忽略地道壁面的自然析水，隨著地道長度的增加，空氣的干球溫度逐漸上升，含濕量不變，相對濕度逐漸減小，新風在地道內的加熱過程可近似認為等濕加熱過程。

夏季，室外空氣溫度高于地道壁面溫度，新風流經地道時，空氣逐漸被地道壁面冷卻。若忽略地道壁面的自然析水，隨著地道長度的增加，空氣的干球溫度逐漸下降，相對濕度逐漸增大，含濕量基本不變，實現等濕冷卻過程。當地道壁面溫度低于空氣露點溫度時，將會在地道壁面產生結露現象，空氣含濕量減小，實現減濕冷卻過程。

2 土壤溫度分析

根據文獻[11]、[13]，不同深度地層土壤溫度計算宜采用當地的實際數據。當無相應測試數據時，應按下列公式計算：

式中：y為土壤深度，m ；t(τ,y)為土壤深度y在某一時刻時的原始溫度，℃ ；t0為土壤表面全年平均溫度，該溫度等于全年年平均氣溫，℃；Ad為土壤表面溫度的全年波動幅度，℃；w為溫度波動的頻率，rad/h；a為土壤的導溫系數，m2/h；tmax為全年氣溫最高溫度，℃；tmin為全年氣溫最低溫度，℃；Z為溫度波動的周期，h。

以哈爾濱地區作為嚴寒地區代表城市進行研究。哈爾濱地區氣溫及土壤等相關參數如下：全年最高溫度為 29.2 ℃，全年最低溫度tmin為-22.8 ℃，全年年平均地面溫度t0為 5.38 ℃，全年地面溫度波幅Ad為 26 ℃，土壤導溫系數a為0.0037 m2/h，溫度波動周期Z為8760 h（以一年為計算周期）。

經計算，哈爾濱地區典型月份夏季 7 月和冬季 1 月不同深度地層土壤溫度如表1。

表1 哈爾濱地區7 月及1 月不同深度土壤溫度（1～10 m）

由表1 計算結果，可以得到：夏季7 月（最熱月份）和冬季 1 月（最冷月份），地表土壤溫度全年波動幅度較大。

改變式（1）中溫度波動頻率，經計算哈爾濱地區土壤溫度隨深度及月份變化圖如圖2、圖3。

圖2 不同月份下土壤溫度隨土壤深度變化圖

由圖2 和圖3 及計算結果，可以得到：

圖3 不同土壤深度下土壤溫度隨月份變化圖

1）在土壤深度小于16 m 時，土壤溫度受地表溫度 變化影響存在波動，屬于淺層土壤。在土壤深度大于 16 m 時，土壤溫度基本處于穩定，不再受地表溫度變化影響，屬于深層土壤。

2）在淺層土壤范圍，土壤溫度受地表溫度及全年周期影響存在延遲時間，延遲時間與土壤深度有關，土壤深度越深，延遲時間越長。在土壤深度6～15 m 區間，哈爾濱地區冬季1 月份土壤溫度高于夏季7 月份土壤溫度。在土壤深度 6～9 m 區間，夏季土壤溫度最低，冬季溫度最高，且開挖深度較淺利于降低開挖成本，因此，哈爾濱地區地道風埋管深度宜選擇在6～9 m 區間。

3 地道風系統換熱理論

3.1 傳熱系數

在送風量一定時，風速隨著管道直徑的變化而變化，雷諾數及管道內氣流與管壁之間的傳熱系數發生變化。管道內氣流與管壁之間的傳熱系數[12]按式（4）、式（5）計算（若空氣流速小于1 m/s，則傳熱系數按數值為5.8056 W/(m·K)考慮）。

式中：h為管道內氣流與管壁之間的對流換熱系數，W/ (m2·K)；λ為空氣導熱系數，W/(m2·K)；de為地道當量管道直徑，m；Re 為雷諾數；v為運動粘度，m2/s。

地道風系統綜合傳熱系數[11]按式（6）、式（7）計算。

式中：K為地道風綜合傳熱系數，W/ (m2·K)；α為地道壁體導溫系數，m2/h；β為地道形狀修正系數；τ為供冷期連續運行時間，h；U為地道橫斷面周長，m。

3.2 地道風出口溫度

地道風出口溫度受空氣入口溫度，管道直徑，管道換熱面積及管道傳熱系數等因素影響，間歇運行時按式（8）、式（9）計算[11]。

式中：t1為地道入口空氣溫度，℃；t2為埋管土壤層全年平均溫度，℃；t3為地道出口空氣溫度，℃；B為間歇運行修正系數；K為地道風綜合傳熱系數，W/(m2·K)；F為地道換熱面積，m2；G為空氣質量流量，kg/s；c為空氣定壓質量比熱，J/(kg·K)；Ki為對應每一通風熱周期相應計算時間的不穩定傳熱系數，W/(m2·K)；如每天通風 10 小時，則τ0=10；τ1=24；τ2=24+10=34；τ3=48（小時）……；K0為初始換熱周期的不穩定傳熱系數，W/(m2·K)。

4 地道風系統影響因素

影響地道風系統的因素有埋管深度、土壤溫度、管道長度、管徑、風速、入口溫度、管道數量及管間距等，還要考慮施工作業范圍和施工成本的影響，比較復雜。本文主要結合哈爾濱某被動式低能耗建筑地道風系統項目，重點研究分析入口溫度、風速、管道材質、管道直徑及管道數量等因素對出口溫度的影響。

該項目為工廠改造項目，被動式低能耗建筑設計，地道風系統出口溫度0 ℃以上，埋管深度7 m，管道長度 100 m，新風量 30000 m3/h，新風入口風速 2.65 m/s。地道采用鋼筋混凝土管和不銹鋼管進行對比分析。

4.1 入口溫度變化的影響

在新風入口風速，管道直徑，管道數量及管長均不變的情況下，不同新風入口溫度（新風入口溫度從-20 ℃至0 ℃）下地道風空氣出口溫度的變化具體如圖 4 所示。

由圖4，在僅改變新風入口溫度的情況下，對于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風出口溫度隨著新風入口溫度提高而升高，呈線性變化。由于不銹鋼管導熱系數遠大于鋼筋混凝土管，采用不銹鋼管時地道風出口溫度遠高于鋼筋混凝土管的出口溫度。即使在入口溫 度達到-20 ℃時，采用不銹鋼管也能夠滿足被動式低能耗建筑地道風系統出口溫度0 ℃以上的要求。

圖4 新風入口溫度對地道風出口溫度影響

4.2 新風入口風速變化的影響

在新風入口溫度，管道直徑，管道數量及管長均不變的情況下，不同新風入口風速（新風入口風速從 0.5 m/s 至2.7 m/s）下地道風空氣出口溫度的變化如圖 5 所示。

由圖5，在僅改變新風入口風速的情況下，對于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風出口溫度隨著新風入口風速增大而降低。不銹鋼管對流換熱系數較高，故受新風入口風速影響較小。鋼筋混凝土管對流換熱系數較低，故受新風入口風速影響較大。

圖5 新風入口風速對地道風空氣出口溫度影響

4.3 管道直徑變化的影響

在新風入口溫度，新風入口風速，管道數量及管長均不變的情況下，不同管道直徑（管道直徑從 0.4 m 至1.4 m）下地道風空氣出口溫度的變化如圖6 所示。

圖6 管道直徑對地道風空氣出口溫度影響

由圖6，在僅改變管道直徑的情況下，對于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風出口溫度隨著管道直徑增大而降低，呈下降趨勢。當管道直徑大于1 m 時，不銹鋼管地道風出口溫度都在0 ℃以下。但管道內部中心氣流溫度受管道直徑影響較大，管道直徑過大時，中心氣流溫度降低。

4.4 管道數量變化的影響

在新風入口溫度，新風入口風量，管道直徑及管長均不變的情況下，根據式（8）計算得出不同管道數量（管道數量從1 個至10 個）下地道風空氣出口溫度的變化如圖7 所示。

圖7 管道數量對地道風空氣出口溫度影響

由圖7，不銹鋼、鋼筋混凝土管道地道風出口溫度均隨著管道數量的增多而升高，呈上升趨勢。當管道數量較多時，換熱面積相應增大，換熱量也隨之逐漸增大。多管道敷設時，還應控制管道間距在2 m 以上，以防止管道對地道降溫能力的影響[14]。管道數量增加，不僅造成開挖工程量大幅增加，還造成原材料成本增加。因此，地道風管道數量要根據工程項目實際情況，綜合考量而定。

5 結論

以哈爾濱地區為嚴寒地區代表城市，通過對地道風系統公式擬合計算，對嚴寒地區被動式建筑地道風系統研究得到如下結論：

1）嚴寒地區地道風系統埋深宜在6～9 m 范圍。

2）在嚴寒地區，當新風入口溫度與土壤溫度形成大溫差時，宜采用地道風系統較為適用。當新風入口溫度與土壤溫度形成大溫差時，建議管道采用不銹鋼為材料。當新風入口溫度與土壤溫度形成小溫差時，建議管道采用鋼筋混凝土為材料或停止運行地道風系統，避免地道風系統所用離心式通風機功耗增加。

3）在嚴寒地區，對于新風入口風速較小的地道風系統，建議管道采用不銹鋼為材料。對于新風入口風速較大的地道風系統，因鋼筋混凝土管受新風入口風速影響較大，建議管道采用鋼筋混凝土為材料。

4）在嚴寒地區，對于不銹鋼、鋼筋混凝土管道，地道風采用較小管道直徑管道利于出口溫度提升，但管道直徑不宜超過1.6 m，否則工程開挖面積增大，工程成本增加。當管道直徑為0.4～0.8 m 時，由于管內風速過快（風速超過4 m/s），導致風機功耗過大且使得地道風出口空氣升溫幅度趨于平緩，故嚴寒地區鋼筋混凝土管道直徑應控制在0.8～1.6 m 范圍內。

6）嚴寒地區管道數量應控制在 3 根至 8 根范圍內，否則管道及工程成本增加。