利用太陽能煙肉耦合地埋管自然通風改善室內熱環境研究

中圖分類號：TU831.8 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）09-057-09

Abstract：Theearth-to-air heat exchanger （EAHE）isa shalow geothermal energy technology capable significantly reducing building energy consumption. When combined with a solar chimney （SC），a novel passive ventilationandcoolingsystem isestablished inwhich freshairiscooledand naturallydrawninto the indoor space.This study investigates the eect SC-EAHE system on the indoor thermal environment in regions characterized by hot summers and cold winters，and compares the building envelope performance with and without the system.Experimental results show that， compared to a reference chamber， the EAHE reduces air temperature by 3.2^°C in summer and increases it by 1.6^°C in winter， with corresponding air change rates ranging from 2.2ACH（air changes per hour） to 10.1ACH in summerand 3.4ACH to 13.5ACH inwinter.Relative to the ambient air， the indoor air temperature shows a maximum decrease 5.9^°C in summer and amaximum increase 15.5^°C in winter. The south-facing exterior wall and the ro receive the highest solar irradiation among all envelop surfaces.In summer，the average temperature the interior surface the southern wallis reduced by about 1.1^°C ， while the ro temperature remains unchanged. In winter， the average interior temperatures the southern wall and ro increase by 1.5^°C and 1.7^°C ，respectively.

KeyWords： solarchimney;earth-to-air heat exchanger;natural ventilation; thermal environment; building envelop

目前，中國建筑能耗占全國總能耗的 21.7% ，仍呈現快速增長趨勢1?？照{系統的能耗占建筑能耗的比例很大。據統計，在所有建筑總能耗中，暖通空調系統的能耗為1/2以上，其中用于通風的能耗又占 20%～ 30%^[2] 。地熱能作為新興清潔能源被廣泛應用于地熱發電及供冷/熱領域，土壤-空氣換熱器（earth-to-air heatexchanger，EAHE），稱為地下空氣管或土壤-空氣管通風系統，因其結構簡單和維護操作性低而受到廣泛關注。由于土壤的高熱慣性，地下土壤溫度變化滯后于室外空氣溫度，在足夠深度處（一般為 3m 的土壤溫度幾乎保持不變，EAHE使用地下土壤作為熱源/散熱器，空氣在進入建筑物內部空間之前，通過EAHE在夏季進行預冷，在冬季進行預熱，可以降低建筑物的冷熱負荷，進而降低耗電量。Li等的研究表明，該耦合系統在夏季工況下可以實現 24h 自然通風，地埋管出口溫度降幅達 12.5^°C 。文中通過將太陽能煙肉（solarchimney，SC）和土壤-空氣換熱器結合，通過SC吸收太陽輻射來加熱煙肉內的空氣，為建筑物自然通風提供熱壓，再利用煙囪的空氣進出口高度差產生熱浮升力，將太陽能轉化成空氣動能，為空氣流動提供動力。在夜間沒有太陽提供動力的情況下，可以利用建筑本身的蓄熱能力進行通風。相關研究分析了影響夜間通風的性能指標，指出外部氣候條件和通風模式對通風能力有較大影響。Artmamn等利用全尺寸試驗臺研究了夜間混合通風和置換通風條件下房間內表面的換熱過程，得出通風量較大時混合通風效果更好，通風量較小時置換通風更有效。文中主要通過分析夏冬季典型工況下，通風房間與非通風房間的熱環境以及圍護結構的溫度變化，研究SC-EAHE系統自然通風以及建筑圍護結構蓄、放熱對室內熱環境的共同影響，為后續優化系統結構參數改善室內熱環境奠定基礎。

1實驗平臺與測點布置

1.1 實驗平臺介紹

實驗平臺如圖1所示，主要由EAHE、太陽能煙囪、1間測試房間和1間對比房間組成，房間窗口朝向西南。EAHE埋管管徑為 0.3m ，由入口段、出口段和水平工作段組成。其入口段設計為與水平方向成傾斜45^° ，以減小由彎頭引起的局部壓力損失。而出口段設置為與垂直出口以利于形成沿管徑的均勻空氣速度分布。由于土壤的巨大熱慣性，在日周期和年周期的熱擴散過程中，土壤溫度在地表 3m 以下變化不大。所以，長 30m 的工作段水平埋在地下 3m 的深處，并分別連接到EAHE入口段和出口段。室外空氣由入口段進入EAHE，并在水平工作段與埋管周圍土壤進行換熱和冷卻。

圖1實驗臺立面圖及平面圖

Fig.1Schematic view（left） andplanar graph （right）SC-EAHE system

為了定量評估SC-EAHE耦合系統對室內熱環境的影響，實驗平臺包括2個房間，一個為實驗房間，另一個作為對比房間。實驗房間和對比房間尺寸均為 3m×3m×3m （長 × 寬 × 高），朝向西南。EAHE管道的出口段連接到實驗房間，而對比房間則無任何主被動環境調控設備。太陽能煙囪由2部分組成：水平太陽能集熱器和垂直煙肉。太陽能集熱器主要功能是加熱由測試房間進入集熱器空氣通道的空氣，形成溫度差;垂直煙囪提供驅動煙肉效應的高度差。水平太陽能集熱器長 7m 、寬 1.5m 、高 0.3m 。水平太陽能集熱器設置在屋頂上，這樣設置可以將房間的高度（ 3m） 納入耦合系統，從而充分利用由建筑蓄熱體制造的熱壓浮升力。用具有高吸收率的吸熱漆對不銹鋼集熱板進行噴涂增強集熱板吸收太陽輻射的能力，太陽能集熱器的4個側面和背面均用聚苯乙烯板做保溫處理。4塊等尺寸的玻璃板用作太陽能集熱器的上表面，與集熱板共同形成空氣通道，太陽輻射穿過玻璃被集熱板吸收。在測試房間屋頂開1個 0.9m×0.3m 孔用于連接房間與太陽能集熱器，集熱器一端連接測試房間出口，另一端連接垂直煙肉進口。垂直煙囪的高度和直徑分別為 6m 和0.3m ，進行了隔熱處理以減少熱量損失。太陽能收集器與水平面成 30^° 傾斜，以便在白天最大程度地吸收太陽能。垂直煙囪出口和EAHE入口均配有防雨帽，以防止雨水滲入并減少風壓不必要的影響。墻體的材料的物性參數如表1所示。

表1圍護結構熱工參數Table1 Thermal parametersbuilding envelope

1.2 測點布置與儀器介紹

為了確定SC-EAHE耦合系統的對室內熱環境的影響，對實驗房間和對比房間的圍護結構內外表面和室內空氣溫度進行測量。實驗主要測點分為3個部分，第1部分是室內溫度的測點布置，第2部分是圍護結構內外表面的溫度分布，第3部分是地埋管換熱能力的測量。每面墻由3個插入反射鋁屏蔽層的鎧式熱電偶分別沿中心線等距分布在外表面和內表面。在實驗房間中心距地板 1.1m.1.7m.3m 的高度設置3個熱電偶，對照房間中心距地板 1.1m.1.7m 處設置2個熱電偶，以測量房間空氣溫度，風速測點按照等圓環面積法均勻布置在地埋管出口截面處，所有溫度、風速數據都是使用數據采集儀（Agilent 34980A）自動收集并記錄在計算機上，數據記錄器的工作間隔為 60s ，并在地埋管出口設置溫濕度自動記錄儀測試房間送風空氣溫濕度。最后，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，主要測點布置

如圖2和圖3所示。測試儀器的精度范圍如表2所示。

圖3埋管出口風速、溫度測點布置圖

Fig.3Locations air velocity sensors and temperature sensorsatEAHE outlets

表2測試儀器型號及精度

Table2 Parameterstheinstruments

2影響熱環境參數計算

2.1 SC-EAHE傳熱性能計算

風量計算：

V_a=3600?πd²ν_a/4，

式中： V_a 為風量， m³/h;ν_a 為空氣流速， m/s;d 為地埋管直徑， m 。

制冷/熱量計算：

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

空氣焓值可用下式計算[10]：

h=1.01T+（2500+1.84T）ω，

其中，EAHE進出口的空氣含濕量 ω 可用下式計算[5]：

飽和水蒸氣分壓力， P_s 可由下式計算得到[]：

式中： ω 為空氣含濕量， g/kg;T 為空氣溫度， ^°C：φ 為空氣相對濕度， %;P_s 為飽和水蒸氣分壓力， Pa;P₀ 為當地大氣壓力， Pa ; C₁=-7.90298，C₂=5.02808，C₃=-1.3816×10^-7，C₄=8.1328×10^-9

3 實驗結果分析

為了研究EAHE在夏熱冬冷地區運行時，對室內熱環境的影響，分別于2020年9月8日0：00—2020年9月8日24：00，2021年1月11日0：00—2021年1月11日24：00進行了 24h 的預冷和預熱實驗。在測試期間，EAHE系統全天自然通風。分析了EAHE出口溫度和房間溫度的變化，以及室內空氣和外墻/內墻表面的溫度延遲規律。

3.1系統換熱性能及室內熱環境分析

圖4為冬夏季地埋管進出口溫度的變化情況，可以看出地埋管在夏季和冬季均有良好的換熱性能。夏季室外溫度在 19.2～35.6^°C 范圍內波動時，埋管出口溫度可以有效控制在 25.7～27.2^°C ，最大溫降達到 7.6^°C ，出口波動幅度為 1.5^°C ，平均溫度 26.5^°C ；冬季室外溫度波動比夏季更為明顯，最低 -5.8^°C ，最高 15.3^°C ，變化幅度達到 21.1^°C ，但是經過地埋管的調控之后，溫度穩定在 9.5～12.3^°C ，出口平均溫度為 10.5^°C ，經過地埋管處理后的溫度在大部分時間均高于室外溫度，即使在夜間也能達到最高 15.5^°C 的溫度提升。針對夏季夜間工況，室外溫度低于地埋管出口溫度的時候可以適當采取開窗自然通風的方式提高夜間降溫效果?？梢缘贸觯珽AHE系統在2個典型的空調季節里，一方面可以有效地送入建筑內部具有穩定溫度的空氣，另一方面也可以在夏季預冷，冬季輔助預熱，降低空調能耗。

圖4室外氣象參數與地埋管出口溫度變化

圖5為夏、冬季不同工況下地理管的工作性能?？梢园l現，在這2種工況下SC-EAHE系統均能實現 24h 的自然通風。夏季工況下，通風量在 60～273m³/h 波動，制冷量與太陽輻射呈正比例關系，最高點出現在中午12：30，約為 763W 。冬季工況下，系統通風量明顯高于夏季，最低 91m³/h ，最高 365m³/h ，其原因是冬季室內外溫差較大，為系統通風提供了更大的熱壓動力，從而增大了風量。與夏季不同的是，白天系統運行的風量增大，制熱量反而最低，并出現了制冷工況，這是由于白天太陽輻射最大的時候室外空氣溫度比較高，土壤溫度低于室外空氣溫度導致室外空氣流經地埋管被冷卻，制熱量出現負值;到了夜間室外空氣溫度低于土壤溫度，所以EAHE系統主要在夜間起到明顯的制熱作用，運行期間制熱量最高達到 1300W 。

圖5不同工況下地埋管工作性能分析

Fig.5Variation the airflow rate and cooling capacity EAHE during the operation period

圖6所示表明，SC-EAHE系統在夏季和冬季對于室內溫度都有一定的改善效果。在夏季工況下，凌晨6：00之前，實驗房間和對比房間的溫度差異并不明顯，同一高度下，實驗房間比對比房間平均低 1.1^°C 。太陽升起之后，2個房間受到太陽輻射影響開始升溫，由于SC-EAHE系統的存在，實驗房間升溫速度明顯低于對比房間，在15：00時，實驗房間室內溫度先達到峰值 29.7^°C，16：00 后對比房間室內溫度達到 32.5^°C 。其中，在 1.7m 位置處實驗房間最高溫度 29.6^°C ，對比房間最高溫度 32.8^°C ，最大溫降 3.2^°C 。冬季工況下，對比房間不同高度處溫度基本相同；實驗房間在夜間會出現輕微的溫度分層現象， 1.7m 處溫度比 1.1m 處平均高0.2^°C 。還可以發現，2個房間的溫度規律相似，溫度拐點與峰值點基本出現在同一時刻，其中實驗房間的溫度在 5.6～9.1^°C 波動 （1.7m） ，相比室外溫度最大提升了 15.5^°C 。對比房間在 3.9～7.7^°C 波動 （1.7m） ，這個溫度雖然不能滿足人體熱舒適性要求[2，但是能顯著提高新風進人室內的溫度，為建筑通風提供良好的預熱效果。

圖6實驗房間和對比房間不同高度溫度變化

Fig.6Temperaturevariations indoorair inside reference chamber and testchamber with EAHE during the operationperiod

3.2 圍護結構溫度變化分析

圖7為冬夏季不同朝向外圍護結構 24h 溫度的變化。夏季測試工況下，在沒有太陽輻射的時間段 （0：00- 6：00、19：00-24：00），所有的墻壁外表面溫度都保持相似和穩定，屋頂外表面的溫度最低。北墻、天花板、南墻和西墻的外表面溫度峰值分別為 43^°C（8;15），56.3^°C（14;00），60.8^°C（13;00） 和 51^°C（16;30） 。屋頂的溫度波動范圍為 19.6～56.2^°C ，最大溫差為 35.6^°C ;南墻外表面溫度的波動范圍為 19.5～60.1^°C ，最大溫差為 40.6^°C 。另外，由于房間朝向西南，上午太陽光照在北外墻，北外墻溫度在8：15時達到最高溫度 43^°C 。

圖7不同季節外墻表面溫度變化趨勢圖

Fig.7Variation the temperature at theexterior surfaces the building envelope in different orientations

冬季測試時，墻體外表面溫度總體在 -5.3～41.7^°C 波動，其中西墻與北墻外表面的溫度變化曲線基本重合，在 ?5.1～41.7^°C 波動。東墻與南墻外表面溫度分別在 11：00（31.2^°C 和 15：00（41.7^°C 達到峰值。夜間各個朝向的墻體溫度變化趨勢類似，與室外空氣溫度接近。

圖8為夏季有無EAHE建筑不同朝向圍護結構的內表面溫度變化情況，可以發現不管有無EAHE，墻體內表面的溫度都按照正弦規律變化，波動幅度以及波峰出現時間存在差異。針對有EAHE的房間，所有的內墻溫度在 26.8～31.2^°C 波動，除了東墻之外，其余朝向的墻體在0：00-8：00的溫度變化趨勢相同，屋頂由于受到天空長波輻射的影響內表面的溫度下降幅度最大，其次是南墻、西墻、北墻。在太陽升起2h后（8：00），各朝向墻體內表面的溫度開始逐步上升，天花板、南墻、北墻、西墻分別在 ） ）、16：00（ 29.0^°C ） 到達峰值，隨后緩慢下降。

由圖可知，屋頂內外表面最大溫差為 24.9^°C ，南墻和北墻內外表面最大溫差為 30.3^°C 和 14.7^°C ?？梢园l現，室內溫度的峰值出現在15：00，并且20：00之后所有墻體的內表面溫度均高于室內溫度，二者之間相互換熱，為夜間通風創造條件。

對比無EAHE的房間，墻體內表面溫度在 27.5～31.8^°C 波動，其中，南墻與天花板內表面溫度變化幾乎一致，波動范圍在 27.7～31.3^°C ，南北墻內外表面的最大溫差為 29.3^°C 和 13.4^°C 。對比2個房間墻體的內表面溫度可以發現，EAHE系統可以降低內表面平均溫度，也可以降低墻體表面的溫度變化幅度。

圖8夏季建筑不同朝向圍護結構內表面溫度變化 Variation the temperaturesat the interior surfaces thebuilding envelop indifferentorientationsinsummer

圖9為冬季有無EAHE建筑不同朝向圍護結構的內表面溫度變化情況，有EAHE的房間圍護結構內表面空氣在 3.1～8.6^°C 范圍波動，西墻與北墻內表面溫度變化基本一致，都在 4.0～6.0^°C 內；天花板與南墻內表面的溫度分別在 3.1～6.5^°C 和 4.7～8.6^°C 內波動，與夏季工況相比，內表面溫度峰值出現的時間都提前了 。對比房間（EAHE）內表面溫度在 3.1～6.9^°C 范圍波動。

圖9冬季建筑不同朝向圍護結構內表面溫度變化

Fig.9 Variation the temperatures at the interior surfaces the building envelop indifferentorientationsinwinter

4結論

為研究夏熱冬冷地區利用SC-EAHE系統改善建筑室內熱環境的可行性，對全尺寸實驗臺進行冬夏季的性能測試，可得出以下結論。

1）SC-EAHE系統在冬夏季均能實現 24h 熱壓驅動自然通風。夏季出口溫度平均 26.5^°C ，風量在 60～ 273m³/h 波動；冬季出口溫度平均 10.5^°C ，風量在 91～365m³/h 內變化。

2）地埋管在實驗夏季工況下可以將室內空氣溫度維持在 26.4～29.7^°C 。EAHE的制冷量在太陽輻射強度為 900W/m² 時的制冷量可以達到 763W ，室內換氣次數在2.2～10.1次/h。

3）冬季寒冷的地區單純使用SC-EAHE耦合系統自然通風只能將室內溫度維持在 5.6～9.1^°C ，換氣次數在3.4～13.5次/h，太陽輻射最大的時候制熱量最低，很難使室內環境達到熱舒適水平，但是對通風有著明顯的預熱效果，最大可以提升 15.5^°C 。

4）建筑最熱的外表面是屋頂和南墻，夏季建筑室內空氣獲得的大部分熱量通過上述外墻傳遞。與沒有EAHE的對比房間相比，在夏季工況下，南墻內表面平均溫度降低約 1.1^°C ，屋頂幾乎保持一致；冬季工況下，南墻內表面平均溫度升高 1.5^°C ，屋頂內表面平均溫度升高 。

總之，SC-EAHE耦合系統可以實現 24h 自然通風，持續為建筑提供預冷/預熱的新鮮空氣。作為純被動系統，其預冷預熱能力與太陽能煙囪和地埋管尺寸密切相關。因此，該系統更適用低密度的農村建筑，地埋管覆土后不影響地表耕種。

參考文獻

[1］中國建筑節能協會.中國建筑能耗研究報告（2020年）[R].北京：中國建筑節能協會，2020. China Association Building Energy Eficiency. China Building Energy Consumption Annual Report 2020[R].Beijing：China Association Building Energy Efficiency，2020.（in Chinese）

[2］史源源.暖通空調制冷系統中的節能環保技術分析[J].應用能源技術，2020（4）：34-38. ShiYY.Analysis energy savingand environmental protection technology in HVACrefrigeration system[J].Applied Energy Technology，2020（4）： 34-38.（in Chinese）

[3]Brum RS，RamalhoJVA，Rodrigues MK，etal.Design evaluation earth-airheat exchangers with multiple ducts[J]. Renewable Energy，2019，135：1371-1385.

[4]MenhoudjS，MokhtariAM，Benzaama MH，et al.Study theenergyperformanceanearth：air heat exchanger for refreshing buildings in Algeria[J].Energy and Buildings，2018，158：1602-1612.

[5]LiYC，LongTH，BaiX，etal.Anexperimental investigationonthepassiveventiationandcooling performancean integrated solar chimney and earth-air heat exchanger[J].Renewable Energy，2O21，175： 486-500.

[6]LiHR，YuYB，NiuFX，etal.Performanceacoupledcolingsystem withearth-to-airheatexchangerandsolarchiney[J]. Renewable Energy，2014，62：468-477.

[7]GuoR，HuY，LiuMZ，etal.Influencedesignparametersonthenightventilatioperformanceinicebuildingsbasedon sensitivity analysis[J]. Sustainable Cities and Society，2019，50：101661.

[8]ArtmaNsnRLanH，etal.ExprimetaliestigatioatrserigghttetilatioJ].E Buildings，2010，42（3）： 366-374.

[9]MathurA，Surana AK，Verma P，etal. Investigationsoil termalsaturationandrecoveryunderintermitent andcontinuous operation EATHE[J]. Energy and Buildings，2015，109：291-303.

[10]LongTH，LiYC，LiWY，etal.Investigationonthecooling performanceabuoyancydrivenearth-airheatexchanger system and the impact on indoor thermal environment[J].Applied Thermal ，2022，207：118148.

[11]GfJA，Gratch S.Low-pressurePropertiesWaterfrom-160to212F，the 52ndAnnualMeeting theAmericanSociety Heating and Ventilating Engineers[D].New York：1946，95-122.

[12］中華人民共和國住房和城鄉建設部.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 附條文說明：GB 50736—2012[S].北京：中 國建筑工業出版社，2012. MinistryHousingandUrban-Rural Development thePeople'sRepublicChina.Designcode forheating ventilationand air conditioningcivilbuildings：GB50736—2012[S].Beijing：China Architectureamp;Bulding Pres，2012.（inChinese）