地道风在建筑通风空调中的利用研究
南京理工大学 桂玲玲 张少凡
摘要：利用地道风节约建筑空调和通风能耗这一课题,是在提倡开发、利用新能源及可再生能源的形势下重新提出来的，具有应用前景。本文在分析地道风降(升)温技术的研究现状的基础上,分析并计算了土壤温度分布特性，将第四类边界条件即耦合边界条件引进地下工程的动态传热数值模型中，建立空气和壁面之间传热的数学模型。在非等温、非等热流边界条件下，对空气和地道换热过程进行模拟分析，系统地分析了各种因素对地道风降(升)温的影响，计算出不同条件下室外空气经地道换热后的空气终温，为地道风在通风空调中的应用提供了依据。
关键词：地道风，通风空调，耦合边界，动态模拟 1 地道风在建筑通风空调中的利用
节约能源，已经无处不在，所谓节能，首要的是从能源上来考虑。从已有的能源利用上来节能，仅仅是一个方面，而发展新能源和可再生能源，这对可持续发展战略具有重大现实意义筑通风空调中的利用研究，就是减少建筑能耗的途径之一。
利用地道风就是利用天然的地层蓄热（冷）性能，为建筑物提供冷（热）量。夏季，室外的空气进入地道内，通过与地道壁面的传热，可以达到降温的目的，然后送入房间；冬季，通过地道与空气之间的传热，提高送入房间的室外空气的温度。上世纪七、八十年代，地道风曾在我国得到了广泛应用，利用其夏凉冬暖的优点，将地道风经过简单过滤处理后引入室内。
在地道风降温应用的初期,曾一度使用热平衡方程式来推导和计算各项参数。此时，国内学者根据空气放热与地道壁面吸热这个热交换平衡关系建立了早期的模型。但该模型不能全面反映地道冷却作用的特性，因而不能准确地反映空气经地道冷却降温的真实过程。
后来，国内的一些学者把地道模拟为一个圆形断面，用比较稳定的土壤温度代替变化的壁面温度，还提出了当量热传递层厚度的概念，并根据夏季热量在壁体中蓄存而在冬季向大气自然散发的假设推导的。这虽有一定的进步，但仍无法准确地反映出空气沿地道长度及随通风时间变化的动态过程。
有些研究人员提出了新的观点，即把空气在地道中与壁面的传热过程定义为既非等热流又非等温边界条件下的不稳定传热问题。但由于建立数学模型及求解过程的复杂性、繁琐性，上述方法并未广泛地推广开来。
近年来，模拟分析的方法也用于地道风的换热研究。文献[5]指出了地道长度、半径、空气流速和地道埋深等四个变量影响其换热性能。文献[6]提出空气和地道壁面之间传热的数值模拟，其结果要达到各个参数之间的最优化。
本文在分析了土壤沿深度和时间的变化规律后，计算了土壤在一年中的温度分布，然后通过建立地道内的三维模型，模拟岩层和地道内空气的传热过程。 2 地层温度的特性分析及计算
地道风传热主要发生在空气与地层之间，所以了解地层温度特性与原始大地温度的分布是进行地下
[4]
[3]
[1] [2]
。地道风在建
传热分析的基础。
土壤中温度场为沿径向的非稳态传热过程，它在周期性边界条件下的温度场可以用傅立叶导热微分方程来描述。
[7]
2
a2 'y
式中 —地层内任意点的过余温度= t(y,')-t0(℃)；
t(y,')—地层内任意深度任意时刻的地温(℃)； t0—年平均地表面温度，比年平均气温略高(℃)；
(2.1)
'—从地表面年最高温度出现算起的时间(h)；
a—地层材料的导温系数(m/h )； y—从地表面算起的地层深度(m)。
地道周围的土壤温度是确定地道降温作用的主要因素之一, 最好能使用多年土壤温度的实测资料。地温t(y,')随地层深度y和时间'的变化，可按下列公式计算：
2
t(y,')t0
2' T(2.2)
式中 A0—地表面温度年周期性波动波幅(℃)；
T—年温度波动周期，8760小时。
由于地层的蓄热作用，所以在温度波向地层深处传递时，会出现衰减现象，并且相对于地面温度波而言，地层内的温度波还存在着时间上的延迟。因此，在夏（冬）季，由于温度波的这种衰减及延迟效应，使地层深处的温度处于较低（高）的数值。地道风降（升）温系统正是利用了地层温度变化的这一有利条件，使夏（冬）季室外的热（冷）空气在地道中得到了冷却或升温。
根据南京地区土壤物性参数：土壤年平均温度tm=17.2℃，地表面温度周期波动的振幅A=15.4℃，
[8]
-72
热扩散系数a=9.17×10m/s。根据上式可用MATLAB软件算出南京地区土壤初始温度随深度、时间的变化图，如图2.1所示。
图2.1 土壤初始温度随深度及时间的变化
3 物理模型的建立
地道风系统传热过程是通过空气与土壤之间的热交换实现的，并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响，实际运行过程很复杂。但是地道内空气主要处于紊流状态，边界层所占的比例很小，空气流内部温度差别相对也比较小，由于实际温度较为复杂，在研究时需作以下的假设对换热模型进行简化：
地道内同一截面的流体（空气）具有相同的物理参数，即相同的温度、含湿量、流速，空气简化为一维变化，只考虑流动方向的传热传湿；而洞体岩层（含壁面）按分布参数处理，同时考虑径向和湿周方向的二维传热。因此，在计算单元内空气与洞体岩层构成正交的准三维传热过程。
空气在地道内沿程流动中的热湿交换，需要考虑以下几种换热形式： (1)不同断面空气间的热湿传递； (2)岩层内的热传递； (3)空气与壁面的热湿交换。
基于地道风的空气系统是通过空气与地道及周边土壤之间的热交换而实现, 并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响，其热边界条件无法预先确定, 传热时受到流体与壁面之间相互作用的制约,为耦合传热问题。边界条件处理合适，可以加快收敛的速度，同时得到更准确的数据。
为了突出整个传热过程的动态性，并更精确的对系统通风进行分析，本文在综合计算流体力学及计算传热学相关知识的基础上，将空气和岩壁之间的传热过程视为两者相互作用的耦合传热问题。这是近代数值传热界理论研究的一个重点。这类由流体和固体相互热作用制约而无法预先确定的热边界也就不能采用传统的三类边界条件描述，必须采用第四类边界条件定义。这时界面上仅给出温度和热流连续的条件，即
Tw|s= Tw|F qw|s= qw|F
其中T，q为温度和热流密度，下角标w是指耦合界面，s，F分别指固体和流体区域。如上式所示的界面上温度、热流连续的条件在文献中称为第四类边界条件。
为了研究问题方便, 特作如下假设: (1)地道周围土壤的物性参数为常数；
(2)有通风时,地道内空气以对流换热为主，不考虑各表面间的辐射换热；
(3)因土壤中湿迁移对传热的影响小于0.1%。故在本模型中，忽略土壤湿迁移的影响。
空气通过地道的过程是一个不断与周围壁面进行热湿交换的过程。地道沿x轴方向被分割成若干个单元段，每个单元段出口的空气状态，也是相应的下一个单元段的进口处的空气状态。由于空气和壁面之间热湿交换过程的对称性，取dx长度地道，并以半微元截面作为研究对象。对微元体内空气及地道壁面进行热湿平衡（即能量平衡与质量平衡）分析，建立空气在地道内流动过程中的热湿交换数学模型。
[9]
t(,r,x)2t(,r,x)1t(,r,x)2t(,r,x)
a()
r2rrx2
t(,r,x)
[T(,x)t(,R,x)]
rrR
(3.1)
(3.2)
0.622bT(x,)
)
Bx
[T(,x)t(,R,x)]SG(Cp
t(0,r,x)=t(,,x)=t0
T(,x)—空气在时刻，地下风道x点的温度；
(3.3)
(3.4)
t(,r,x)—风道周围岩（土）层内的温度场；
G—通过地下风道的风量； S—风道的周长；
—汽化潜热； —空气的相对湿度；
b—空气饱和水蒸汽分压力与温度T的线性拟合系数PH=a+bT，在20-30范围内，b=1.47； t0—岩(土)的初始温度； a—岩土的导温系数；
—岩土的导热系数；
Cp—空气的定压比热； B—大气压力。
在所建模型的基础上，利用数值计算软件对地道通风的夏季（冬季）工况进行模拟中，根据从工程实测资料总结的对流换热系数计算公式进行计算
地道壁面的对流换热系数公式为：
[12]
[10][11]
，在模拟
。
0.045
de
Re0.8
(3.5)
计算公式3.5只适用于计算地道内空气流速高于1.0m/s的情况，当空气流速低于1.0m/s时，其对流换热系数可按5.815-8.141W/mC。 4 模拟结果的比较与分析
由于我国的国情，有的地方有现成的地道可以利用，一般此时地道的直径为2m。由于现在的新建建筑多不具备从地道引风的条件，如果要引进地道风作为空调通风，需要新建地道，这需要从新建地道的初投资开始，考虑到经济性要求，一般新建地道，地道的直径为1m，地道埋深为3米，长度为200m
2
左右。
本章首先分析了现成地道中，夏季七月份，通风速度和通风时间对200m地道的影响。然后针对新建地道的通风效果进行模拟，模型将重新建立。模拟此时地道在夏季七月份和冬季一月份的通风效果。
地道周边的土壤初始温度分布见公式2.2。 4.1通风速度对200m地道的影响分析(现成地道)
图4.1中的三条曲线分别为三种气流速度下，地道中空气温度沿程的变化情况。 Line1进口条件：空气进口温度为303K，速度为1m/s Line2进口条件：空气进口温度为303K，速度为2m/s Line3进口条件：空气进口温度为303K，速度为3m/s
Line3
Line2 Line1
图4.1通风速度对200m地道的影响（通风六小时）
由于地道内风速不仅影响地道壁面与空气之间的对流换热系数的大小，同时还影响地道出口的空气温度，也是基于地道风的空气源热泵系统风机选型所必需的参数之一。从图4.1曲线图中可以看出, 风速越小，空气到达地道终端的温度越低；当空气风速达到3m/s时，地道空气终温变化曲线趋于平缓。这是因为风速的减小，影响了空气在地道内的流动，使地道与空气间的换热系数减小，但与此同时，空气的总流量和总换热量减小，但空气总流量与总换热量减小的影响要远远大于地道与空气件换热系数减小的影响。因此, 风速较低时, 空气在地道中的冷却效果好。
因此，随着地道内空气流速的增大，地道出口空气温度降幅减小。当空气流速超过一定值时，空气温度降幅趋于平缓。
4.2通风时间对200m地道的影响分析(现成地道)
图4.2中，Line1- Line4分别为通风时间为六小时、十二小时、十八小时和二十四小时工况下，地道中空气温度沿程的变化情况。
Line4 Line3 Line2 Line1
图4.2 通风时间对200m地道的影响
从图4.2中可以看出，随着通风时间的加长，地道出口的空气温度逐渐升高，说明时间越长，地道的冷却能力逐渐减小，空气和壁面的温差逐渐减小，传热量也减小。 4.3通风时间对200m地道的影响分析(新建地道)
图4.3、图4.4中，Line1- Line4分别为通风时间为六小时、十二小时、十八小时和二十四小时工况下，地道中空气温度沿程的变化情况。
Line4
Line3 Line2 Line1
图4.3通风时间对新建地道的影响（夏季七月份）
（地道长200 m，空气进口速度为2m/s，进口温度为306K）
Line1 Line2 Line3 Line4
图4.4通风时间对新建地道的影响（冬季一月份）
（地道长200 m，空气进口速度为2m/s，进口温度为275.2K）
从图4.3和图4.4中可以看出，随着通风时间的延长，空气的温度的变化在减小。在通风十二小时后，空气的出口温度差异已经很小，而通风六小时和通风二十四小时的出口温度差约为2℃左右。说明随着通风时间的增加，地道的冷却（升温）能力越来越弱，但减弱的速率在降低。在地道风实际工程应用中，长时间连续通风不仅能耗高，而且通风效果下降，会逐渐降低地道的降温（升温）能力。 4.4通风速度的影响分析(新建地道)
图4.5中，Line1-line3代表通风速度分别为1m/s、2m/s、3m/s，进口温度为306K工况下地道中空气温度沿程的变化情况。
Line3 Line2 Line1
图4.5 夏季通风六小时
夏季，随着通风速度的增加，空气的出口温度逐渐增高。进口空气速度为1m/s时，出口空气的温度约为293K；进口空气速度为2m/s时，出口空气的温度约为295K；进口空气速度为3m/s时，出口空气的温
度约为296K。空气进口速度增加就是通风量增加，空气的出口温度随之升高。由图4.5可以得出，通风量与空气的降温幅度成反比例关系。通风时间很短时，空气在地道中温度变化的曲线较陡。
由图4.2和图4.3可以看出，随着通风时间的加长，曲线趋于平缓，也就是说，地道的冷却能力随连续通风时间的增加而减小。由图4.1和图4.5模拟结果比较可以看出地道尺寸与空气的降温幅度的关系，随着地道当量直径的增加，空气的降温幅度不断下降。这是由于，地道的当量直径与地道壁面的对流换热系数成反比例关系。也就是，对流换热系数的降低影响了地道风降温的效果。 4.5 地道中心埋深对通风效果的影响(新建地道
)
图4.6 地道通风六小时后沿着地道方向空气温度的变化（中心埋深5m）
图4.7 地道通风六小时后沿着地道方向空气温度的变化（中心埋深3m）
由图4.6和图4.7可以看出，地道中心埋深5m时，地道出口空气温度约为294K，而在地道中心埋深3m时，地道出口空气温度约为296K，说明地道处于不同的埋深时，其降温效果不同。这是由于不同深度的地层温度存在差别的原因。七月份，南京市地下3m处的土壤温度为20℃，地下5m处的土壤温度为17℃，
可以发现，埋深为地下5m处的地道降温效果较好，温度降为12℃。埋深为3m处的地道由于受地面温度变化的影响较大，降温效果较差，温度降为10℃。但是埋深3m的地道降温效果也是比较明显的，考虑到工程的经济性，可以选用3m埋深。
4.6 不同空气进口条件下空气的出口温度
模拟地道为新建地道，中心埋深为5m，地道的直径为1m，长度为200m。
图4.8 空气出口温度在不同进口风速下随通风时间的变化（夏季）
图4.9 空气出口温度在不同进口风速下随时间的变化（冬季）
由图4.8和图4.9可以看出，空气进口条件相同时，随着通风时间的增加，出口空气温度降低（升高）幅度减小，地道的冷却（升温）能力降低。其他条件相同时，空气进口速度越大，温度降低（升高）幅度减小。
5 结论与展望
通过先建立模型后利用软件对地道通风的夏季（冬季）工况进行模拟，可以得出以下结论：随着地道内空气流速的增大，地道出口空气温度降幅（升幅）减小，因此，风速较低时，空气在地道中的冷却（升温）效果好；随着通风时间的加长，地道出口的空气温度逐渐升高（降低），地道的冷却（升温）能力逐渐减小；地道的截面尺寸影响通风换热效果，随着地道当量直径的增加，空气的降温幅度不断下降；地道处于不同的埋深时，其降温效果不同，地道埋深越深，其降温效果越好。
为了得到更理想的出口空气温度，需要埋深增加、空气速度降低、当量直径减小，在风量一定时均需增加投入。在投入增加的基础上达到更好的效果，需要对投入和出口空气温度之间进行优化。
地道风利用是可再生能源利用的途径之一，在建筑通风空调中的利用前景广阔，适于全国许多地区。
参考文献
[1] 罗志文.可再生能源在暖通空调中的应用分析[J].供热制冷，2005，(5)：47-51.
[2] 周北驹.发展新能源和可再生能源对可持续发展战略具有重大现实意义[J] .中国能源，
1997(3):16-18.
[3] 张锡虎.地道风降温的热工计算[J].暖通空调,1981,(4):5-11.
[4] 忻尚杰.空气经地下风道凝湿冷却的降温动态模拟[J].地下空间，1989，（1）：44-51.
[5] Mihalakakou G, Santamouris M, Asimakopoulos D, et al. Parametric prediction of the buried
pipes cooling potential for passive cooling applications. Solar Energy 1995;55(3):163–73.
[6] Huijun Wu, Shengwei Wang, Dongsheng Zhu, Modeling and evaluation of cooling capacity of earth–air–pipe systems, Energy Conversion and Management, 2007, 48(5): 1462-1471. [7] 胡汉华，吴超，李茂楠.地下工程通风与空调[M].长沙：中南大学出版社，2005. [8] 马庆芳.实用热物理性质手册[M].北京：中国农业机械出版社,1986. [9] 陶文铨.数值传热学[M].第2版.西安：西安交通大学出版社,2001.
[10] 赵琴.FLUENT软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用[J] .计算机应用，2003，(23):424-425. [11] 闫小康，王利军.FLUENT软件在通风工程中的应用[J] .煤矿机械，2005，(11):153-155. [12] 李明,高青,于鸣.地下土壤含水湿过程传热分析及实验[C].全国暖通空调制冷2004年学术年会
论文集，2004:292-297.
桂玲玲，女，1986年生人，硕士研究生，工学硕士，地址：南京市孝陵卫200号南京理工大学动力工程学院，邮政编码：210094，电话：（025）84315485，E-mail：[email protected]
地道风在建筑通风空调中的利用研究
南京理工大学 桂玲玲 张少凡
摘要：利用地道风节约建筑空调和通风能耗这一课题,是在提倡开发、利用新能源及可再生能源的形势下重新提出来的，具有应用前景。本文在分析地道风降(升)温技术的研究现状的基础上,分析并计算了土壤温度分布特性，将第四类边界条件即耦合边界条件引进地下工程的动态传热数值模型中，建立空气和壁面之间传热的数学模型。在非等温、非等热流边界条件下，对空气和地道换热过程进行模拟分析，系统地分析了各种因素对地道风降(升)温的影响，计算出不同条件下室外空气经地道换热后的空气终温，为地道风在通风空调中的应用提供了依据。
关键词：地道风，通风空调，耦合边界，动态模拟 1 地道风在建筑通风空调中的利用
节约能源，已经无处不在，所谓节能，首要的是从能源上来考虑。从已有的能源利用上来节能，仅仅是一个方面，而发展新能源和可再生能源，这对可持续发展战略具有重大现实意义筑通风空调中的利用研究，就是减少建筑能耗的途径之一。
利用地道风就是利用天然的地层蓄热（冷）性能，为建筑物提供冷（热）量。夏季，室外的空气进入地道内，通过与地道壁面的传热，可以达到降温的目的，然后送入房间；冬季，通过地道与空气之间的传热，提高送入房间的室外空气的温度。上世纪七、八十年代，地道风曾在我国得到了广泛应用，利用其夏凉冬暖的优点，将地道风经过简单过滤处理后引入室内。
在地道风降温应用的初期,曾一度使用热平衡方程式来推导和计算各项参数。此时，国内学者根据空气放热与地道壁面吸热这个热交换平衡关系建立了早期的模型。但该模型不能全面反映地道冷却作用的特性，因而不能准确地反映空气经地道冷却降温的真实过程。
后来，国内的一些学者把地道模拟为一个圆形断面，用比较稳定的土壤温度代替变化的壁面温度，还提出了当量热传递层厚度的概念，并根据夏季热量在壁体中蓄存而在冬季向大气自然散发的假设推导的。这虽有一定的进步，但仍无法准确地反映出空气沿地道长度及随通风时间变化的动态过程。
有些研究人员提出了新的观点，即把空气在地道中与壁面的传热过程定义为既非等热流又非等温边界条件下的不稳定传热问题。但由于建立数学模型及求解过程的复杂性、繁琐性，上述方法并未广泛地推广开来。
近年来，模拟分析的方法也用于地道风的换热研究。文献[5]指出了地道长度、半径、空气流速和地道埋深等四个变量影响其换热性能。文献[6]提出空气和地道壁面之间传热的数值模拟，其结果要达到各个参数之间的最优化。
本文在分析了土壤沿深度和时间的变化规律后，计算了土壤在一年中的温度分布，然后通过建立地道内的三维模型，模拟岩层和地道内空气的传热过程。 2 地层温度的特性分析及计算
地道风传热主要发生在空气与地层之间，所以了解地层温度特性与原始大地温度的分布是进行地下
[4]
[3]
[1] [2]
。地道风在建
传热分析的基础。
土壤中温度场为沿径向的非稳态传热过程，它在周期性边界条件下的温度场可以用傅立叶导热微分方程来描述。
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2
a2 'y
式中 —地层内任意点的过余温度= t(y,')-t0(℃)；
t(y,')—地层内任意深度任意时刻的地温(℃)； t0—年平均地表面温度，比年平均气温略高(℃)；
(2.1)
'—从地表面年最高温度出现算起的时间(h)；
a—地层材料的导温系数(m/h )； y—从地表面算起的地层深度(m)。
地道周围的土壤温度是确定地道降温作用的主要因素之一, 最好能使用多年土壤温度的实测资料。地温t(y,')随地层深度y和时间'的变化，可按下列公式计算：
2
t(y,')t0
2' T(2.2)
式中 A0—地表面温度年周期性波动波幅(℃)；
T—年温度波动周期，8760小时。
由于地层的蓄热作用，所以在温度波向地层深处传递时，会出现衰减现象，并且相对于地面温度波而言，地层内的温度波还存在着时间上的延迟。因此，在夏（冬）季，由于温度波的这种衰减及延迟效应，使地层深处的温度处于较低（高）的数值。地道风降（升）温系统正是利用了地层温度变化的这一有利条件，使夏（冬）季室外的热（冷）空气在地道中得到了冷却或升温。
根据南京地区土壤物性参数：土壤年平均温度tm=17.2℃，地表面温度周期波动的振幅A=15.4℃，
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热扩散系数a=9.17×10m/s。根据上式可用MATLAB软件算出南京地区土壤初始温度随深度、时间的变化图，如图2.1所示。
图2.1 土壤初始温度随深度及时间的变化
3 物理模型的建立
地道风系统传热过程是通过空气与土壤之间的热交换实现的，并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响，实际运行过程很复杂。但是地道内空气主要处于紊流状态，边界层所占的比例很小，空气流内部温度差别相对也比较小，由于实际温度较为复杂，在研究时需作以下的假设对换热模型进行简化：
地道内同一截面的流体（空气）具有相同的物理参数，即相同的温度、含湿量、流速，空气简化为一维变化，只考虑流动方向的传热传湿；而洞体岩层（含壁面）按分布参数处理，同时考虑径向和湿周方向的二维传热。因此，在计算单元内空气与洞体岩层构成正交的准三维传热过程。
空气在地道内沿程流动中的热湿交换，需要考虑以下几种换热形式： (1)不同断面空气间的热湿传递； (2)岩层内的热传递； (3)空气与壁面的热湿交换。
基于地道风的空气系统是通过空气与地道及周边土壤之间的热交换而实现, 并且受到外界气象条件和系统实际运行情况的影响，其热边界条件无法预先确定, 传热时受到流体与壁面之间相互作用的制约,为耦合传热问题。边界条件处理合适，可以加快收敛的速度，同时得到更准确的数据。
为了突出整个传热过程的动态性，并更精确的对系统通风进行分析，本文在综合计算流体力学及计算传热学相关知识的基础上，将空气和岩壁之间的传热过程视为两者相互作用的耦合传热问题。这是近代数值传热界理论研究的一个重点。这类由流体和固体相互热作用制约而无法预先确定的热边界也就不能采用传统的三类边界条件描述，必须采用第四类边界条件定义。这时界面上仅给出温度和热流连续的条件，即
Tw|s= Tw|F qw|s= qw|F
其中T，q为温度和热流密度，下角标w是指耦合界面，s，F分别指固体和流体区域。如上式所示的界面上温度、热流连续的条件在文献中称为第四类边界条件。
为了研究问题方便, 特作如下假设: (1)地道周围土壤的物性参数为常数；
(2)有通风时,地道内空气以对流换热为主，不考虑各表面间的辐射换热；
(3)因土壤中湿迁移对传热的影响小于0.1%。故在本模型中，忽略土壤湿迁移的影响。
空气通过地道的过程是一个不断与周围壁面进行热湿交换的过程。地道沿x轴方向被分割成若干个单元段，每个单元段出口的空气状态，也是相应的下一个单元段的进口处的空气状态。由于空气和壁面之间热湿交换过程的对称性，取dx长度地道，并以半微元截面作为研究对象。对微元体内空气及地道壁面进行热湿平衡（即能量平衡与质量平衡）分析，建立空气在地道内流动过程中的热湿交换数学模型。
[9]
t(,r,x)2t(,r,x)1t(,r,x)2t(,r,x)
a()
r2rrx2
t(,r,x)
[T(,x)t(,R,x)]
rrR
(3.1)
(3.2)
0.622bT(x,)
)
Bx
[T(,x)t(,R,x)]SG(Cp
t(0,r,x)=t(,,x)=t0
T(,x)—空气在时刻，地下风道x点的温度；
(3.3)
(3.4)
t(,r,x)—风道周围岩（土）层内的温度场；
G—通过地下风道的风量； S—风道的周长；
—汽化潜热； —空气的相对湿度；
b—空气饱和水蒸汽分压力与温度T的线性拟合系数PH=a+bT，在20-30范围内，b=1.47； t0—岩(土)的初始温度； a—岩土的导温系数；
—岩土的导热系数；
Cp—空气的定压比热； B—大气压力。
在所建模型的基础上，利用数值计算软件对地道通风的夏季（冬季）工况进行模拟中，根据从工程实测资料总结的对流换热系数计算公式进行计算
地道壁面的对流换热系数公式为：
[12]
[10][11]
，在模拟
。
0.045
de
Re0.8
(3.5)
计算公式3.5只适用于计算地道内空气流速高于1.0m/s的情况，当空气流速低于1.0m/s时，其对流换热系数可按5.815-8.141W/mC。 4 模拟结果的比较与分析
由于我国的国情，有的地方有现成的地道可以利用，一般此时地道的直径为2m。由于现在的新建建筑多不具备从地道引风的条件，如果要引进地道风作为空调通风，需要新建地道，这需要从新建地道的初投资开始，考虑到经济性要求，一般新建地道，地道的直径为1m，地道埋深为3米，长度为200m
2
左右。
本章首先分析了现成地道中，夏季七月份，通风速度和通风时间对200m地道的影响。然后针对新建地道的通风效果进行模拟，模型将重新建立。模拟此时地道在夏季七月份和冬季一月份的通风效果。
地道周边的土壤初始温度分布见公式2.2。 4.1通风速度对200m地道的影响分析(现成地道)
图4.1中的三条曲线分别为三种气流速度下，地道中空气温度沿程的变化情况。 Line1进口条件：空气进口温度为303K，速度为1m/s Line2进口条件：空气进口温度为303K，速度为2m/s Line3进口条件：空气进口温度为303K，速度为3m/s
Line3
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图4.1通风速度对200m地道的影响（通风六小时）
由于地道内风速不仅影响地道壁面与空气之间的对流换热系数的大小，同时还影响地道出口的空气温度，也是基于地道风的空气源热泵系统风机选型所必需的参数之一。从图4.1曲线图中可以看出, 风速越小，空气到达地道终端的温度越低；当空气风速达到3m/s时，地道空气终温变化曲线趋于平缓。这是因为风速的减小，影响了空气在地道内的流动，使地道与空气间的换热系数减小，但与此同时，空气的总流量和总换热量减小，但空气总流量与总换热量减小的影响要远远大于地道与空气件换热系数减小的影响。因此, 风速较低时, 空气在地道中的冷却效果好。
因此，随着地道内空气流速的增大，地道出口空气温度降幅减小。当空气流速超过一定值时，空气温度降幅趋于平缓。
4.2通风时间对200m地道的影响分析(现成地道)
图4.2中，Line1- Line4分别为通风时间为六小时、十二小时、十八小时和二十四小时工况下，地道中空气温度沿程的变化情况。
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图4.2 通风时间对200m地道的影响
从图4.2中可以看出，随着通风时间的加长，地道出口的空气温度逐渐升高，说明时间越长，地道的冷却能力逐渐减小，空气和壁面的温差逐渐减小，传热量也减小。 4.3通风时间对200m地道的影响分析(新建地道)
图4.3、图4.4中，Line1- Line4分别为通风时间为六小时、十二小时、十八小时和二十四小时工况下，地道中空气温度沿程的变化情况。
Line4
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图4.3通风时间对新建地道的影响（夏季七月份）
（地道长200 m，空气进口速度为2m/s，进口温度为306K）
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图4.4通风时间对新建地道的影响（冬季一月份）
（地道长200 m，空气进口速度为2m/s，进口温度为275.2K）
从图4.3和图4.4中可以看出，随着通风时间的延长，空气的温度的变化在减小。在通风十二小时后，空气的出口温度差异已经很小，而通风六小时和通风二十四小时的出口温度差约为2℃左右。说明随着通风时间的增加，地道的冷却（升温）能力越来越弱，但减弱的速率在降低。在地道风实际工程应用中，长时间连续通风不仅能耗高，而且通风效果下降，会逐渐降低地道的降温（升温）能力。 4.4通风速度的影响分析(新建地道)
图4.5中，Line1-line3代表通风速度分别为1m/s、2m/s、3m/s，进口温度为306K工况下地道中空气温度沿程的变化情况。
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图4.5 夏季通风六小时
夏季，随着通风速度的增加，空气的出口温度逐渐增高。进口空气速度为1m/s时，出口空气的温度约为293K；进口空气速度为2m/s时，出口空气的温度约为295K；进口空气速度为3m/s时，出口空气的温
度约为296K。空气进口速度增加就是通风量增加，空气的出口温度随之升高。由图4.5可以得出，通风量与空气的降温幅度成反比例关系。通风时间很短时，空气在地道中温度变化的曲线较陡。
由图4.2和图4.3可以看出，随着通风时间的加长，曲线趋于平缓，也就是说，地道的冷却能力随连续通风时间的增加而减小。由图4.1和图4.5模拟结果比较可以看出地道尺寸与空气的降温幅度的关系，随着地道当量直径的增加，空气的降温幅度不断下降。这是由于，地道的当量直径与地道壁面的对流换热系数成反比例关系。也就是，对流换热系数的降低影响了地道风降温的效果。 4.5 地道中心埋深对通风效果的影响(新建地道
)
图4.6 地道通风六小时后沿着地道方向空气温度的变化（中心埋深5m）
图4.7 地道通风六小时后沿着地道方向空气温度的变化（中心埋深3m）
由图4.6和图4.7可以看出，地道中心埋深5m时，地道出口空气温度约为294K，而在地道中心埋深3m时，地道出口空气温度约为296K，说明地道处于不同的埋深时，其降温效果不同。这是由于不同深度的地层温度存在差别的原因。七月份，南京市地下3m处的土壤温度为20℃，地下5m处的土壤温度为17℃，
可以发现，埋深为地下5m处的地道降温效果较好，温度降为12℃。埋深为3m处的地道由于受地面温度变化的影响较大，降温效果较差，温度降为10℃。但是埋深3m的地道降温效果也是比较明显的，考虑到工程的经济性，可以选用3m埋深。
4.6 不同空气进口条件下空气的出口温度
模拟地道为新建地道，中心埋深为5m，地道的直径为1m，长度为200m。
图4.8 空气出口温度在不同进口风速下随通风时间的变化（夏季）
图4.9 空气出口温度在不同进口风速下随时间的变化（冬季）
由图4.8和图4.9可以看出，空气进口条件相同时，随着通风时间的增加，出口空气温度降低（升高）幅度减小，地道的冷却（升温）能力降低。其他条件相同时，空气进口速度越大，温度降低（升高）幅度减小。
5 结论与展望
通过先建立模型后利用软件对地道通风的夏季（冬季）工况进行模拟，可以得出以下结论：随着地道内空气流速的增大，地道出口空气温度降幅（升幅）减小，因此，风速较低时，空气在地道中的冷却（升温）效果好；随着通风时间的加长，地道出口的空气温度逐渐升高（降低），地道的冷却（升温）能力逐渐减小；地道的截面尺寸影响通风换热效果，随着地道当量直径的增加，空气的降温幅度不断下降；地道处于不同的埋深时，其降温效果不同，地道埋深越深，其降温效果越好。
为了得到更理想的出口空气温度，需要埋深增加、空气速度降低、当量直径减小，在风量一定时均需增加投入。在投入增加的基础上达到更好的效果，需要对投入和出口空气温度之间进行优化。
地道风利用是可再生能源利用的途径之一，在建筑通风空调中的利用前景广阔，适于全国许多地区。
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桂玲玲，女，1986年生人，硕士研究生，工学硕士，地址：南京市孝陵卫200号南京理工大学动力工程学院，邮政编码：210094，电话：（025）84315485，E-mail：[email protected]