利用地下空间通风对空气降温的数值模拟和分析NUMERICAL SIMULATION AND ANALYSIS OF APPLYING THE UNDERGROUND SPACE VENTILATION FOR AIR COOLING同济大学 金敏刚 张旭摘 要：本文对空气通过地下空间时的能量传递过程建立了简化数学模型。并通过与相关文献中的计算方法相比较验证了该模型的可靠性。同时根据已验证的模型，对上海某实际工程利用地下空间通风系统冷却空气的过程进行了数值模拟，并进一步分析了通风量，地下空间尺寸，系统运行时间以及运行方式对降温效果的影响。关键词：地下空间通风；降温；数值模拟0 前言随着社会的建设和发展，我国城市和乡镇建造了大量的地下人防工程。目前，除了部分人防工程用于仓库、旅馆、舞厅外，其余几乎都处于闲置状态。另外，一些新建造的高层建筑也建造了地下停车场或地下室(一层，二层或更多层)，而这些地下室中很大一部分也作为发展用房闲置。在上海，目前约有30左右的住宅大楼地下室未利用或未全部利用。另一方面，由于土壤的蓄热能力，地温随着地表深度的增加而衰减和延迟。当到达一定深度后，地温为一个常数1。一般认为在地下5m处，土壤温度稳定在该地区的空气年平均温度,如在上海地区，地下5米处的土壤温度为18左右2。土壤的热惰性使得这些地下建筑拥有冬暖夏凉的特点。因此，在夏季，这些地下空间可以用作天然的冷源对空气进行降温，以达到降低空调负荷的目的。夏季温度较高的室外空气被送入地下室空间，与具有较低温度的地下建筑围护结构进行换热，将自身的热量通过围护结构传给土壤，使得围护结构和土壤的温度逐渐升高，同时自身也达到降温的效果。 本文对地下空间通风中的能量传递过程进行简化并建立相应的数学模型，并通过数值模拟进一步分析了利用地下空间作为天然冷源对室外空气进行降温的影响因素。1 地下空间通风降温动态模型对于一般通风地下空间，工程中常采用文献4中的计算式来估算夏季地下空间内空气的温度。这种计算方法主要考虑室外空气温度年周期性波动和日周期性波动对地下空间内的空气温度的影响，只能粗略计算夏季地下空间内空气的平均温度及波幅，不能计算地下空间逐时的冷却空气能力。因此需要建立一个动态模型来逐时计算室外空气经地下空间冷却后的温度，并较准确地模拟地下空间通风降温的效果,为工程设计提供帮助。1.1 模型假设条件1）土壤物性为常数；本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助，资助课题编号为08DZ12039002）忽略了空气与土壤中的湿传递；3）认为地下室内均匀送风，室内空气温度均匀一致；4）将空气与土壤之间的传热过程近似为带有第三类边界条件的半无限大物体传热模型。如图1所示：图1 简化的空气与土壤之间的传热示意图1.2 对空气侧建立能量守恒方程当系统通风时：(1)当系统间歇时：(2)其中，为空气的密度，kg/m3 C为空气的比热容，J/(kg) V为地下空间的容积，m3 G为地下空间内的通风量， m3/sF地下空间的有效换热面积（与土壤接触），m2 为地下空间中的空气的温度， 为系统运行阶段各个时刻的室外空气温度， 为地下空间围护结构表面的温度， 为地下空间围护结构的表面换热系数，W/(m2) 为时间，s1.3 土壤侧导热方程(3)其中，为土壤的温度，为土壤热扩散系数, m2/s土壤初始条件：(4)边界条件：(5)(6)其中， 土壤恒温层温度，2 动态模型的求解上述数学模型为非稳态传热过程，采用有限差分法求解，空间上采用中间差分格式，时间上采用全隐格式3。利用数值计算软件编写相应的程序进行计算，求解各个时刻的地下空间空气的温度和土壤的温度场。计算机求解程序的流程图如图2所示：初始Ts(x)，Ta是否通风设定运行与间歇时间调用Tout()，上个时刻的Ts(x)，Ta 调用通风时的模型，求解线性方程组 调用上个时刻的Ts(x)，Ta调用间歇时的模型，求解线性方程组 存储求解结果 是否结束输出结果开 始结 束YNN图2 计算机求解程序流程图3 模型的验证：为了验证计算模型的合理性，本文选择对一个算例进行动态模拟，并用文献4中介绍的一般通风地下空间中夏季室内空气温度的计算式对该算例进行计算，然后将其与模拟结果进行对比验证。在该算例中：一地下建筑，长100m，宽9m，高7m，换热表面积为3200m2，容积为6300m3；建筑物的周围为岩石，导热系数为3.0 W/(m)，热扩散系数为12.510-7m2/s；该地下空间的内表面为400mm厚的钢筋混凝土衬砌，其导热系数为1.5 W/(m)，热扩散系数为8.310-7m2/s；内表面的换热系数为：8.13W/( m2)。通风量为40000m3/h。气象参数采用上海的典型气象年数据5。采用文献4中介绍的计算式，可以得出夏季地下空间内空气的日平均温度为26.2，日平均最高温度为28.6，日平均最低温度为25.1。利用本文前述的方法模拟该地下建筑在整个7月份中空气的逐时温度。图3 7月份地下空间内逐时空气温度模拟结果如图3所示，地下空间内空气的日平均温度为25.7，比上述计算结果小2%；日平均最高温度为27.1，比上述计算结果小5%；日平均最低温度为24.6，比上述计算结果小2%。可以得出，模拟结果与上述的计算结果基本相吻合，从而验证了本文中的动态计算模型的可靠性。4 实例模拟与分析上海某个实际工程，其建成投入使用后，将有一地下二层开阔空间作为发展用房闲置。该地下空间的地面标高为-15.6m,尺寸为长100m，宽110m，高8.2m；其有效换热面积为13700m2。围护结构为钢筋混凝土，其厚度为1500mm，导热系数为1.74 W/(m)，热扩散系数为7.610-7m2/s，空气与地下围护结构之间的表面换热系数为7 W/(m2)6。周围的土壤的参数按照砂质粉土取值，其导热系数为1.3 W/(m)，热扩散系数为5.810-7m2/s。 土壤远边界的温度恒定为18.2；土壤和地下空间内的空气的初始温度设置为18.2。本文采用上海6月中旬9月中旬连续三个月的气象参数作为输入条件，对该地下空间的通风降温效果进行逐时模拟，并分析了不同的通风量，地下建筑尺寸，系统运行时间及运行方式对冷却空气能力的影响。气象参数采用上海地区的典型气象年数据5。4.1不同通风量对降温效果的影响模拟了通风量分别为20000m3/h, 40000m3/h, 60000m3/h, 80000m3/h, 100000m3/h的工况下，空气通过该地下空间后的温度，以及该地下空间整个夏季（6月中旬9月中旬）提供的冷量。图4 不同通风量下地下空间内空气的日平均温度 图5 不同通风量下室内外空气温差 图6 不同通风量在整个夏季提供的冷量如图4所示,当室外空气经过地下空间后，温度降低且温度波动的振幅也减小。空气温度降低的程度受到通风量的影响显著。随着通风量的增加，利用地下建筑对空气进行降温的效果逐渐减小，且温度的波幅逐渐增加。如图5所示，当通风量从2万m3/h增加到10万m3/h时，地下空间内的空气与室外空气的平均温差由5.3下降到2。另外，就该地下空间整个夏季对空气的供冷量而言，由图6所示，通风量越大，供冷量越大。通风量由2万m3/h增加到10万m3/h时，供冷能力由7.8万kWh增加到15万kWh，并且可以发现，在较小通风量下，随着通风量的增加，供冷量明显增加；当通风量较大时，随着通风量的增加，供冷能力增加比较平缓。4.2不同地下建筑尺寸对降温效果的影响模拟了保持通风量为40000m3/h 和地下建筑的容积不变，改变有效换热面积的大小以及保持通风量为40000m3/h 和地下建筑的有效换热面积不变，改变地下建筑容积的大小这两种假设情况下的冷却空气能力的变化。 图7 地下空间在不同换热面积下整个夏季的供冷量 图8 地下空间在不同容积下整个夏季的供冷量由图7所示，地下空间换热面积的改变对该地下空间整个夏季的供冷能力有显著的影响。当地下空间的换热面积增加时，供冷量也相应增加。然而由图8所示，地下空间的容积的改变对供冷能力基本没有影响。因此可以得出，对于一个地下空间，当其体型系数比较大时，能提供更大的冷却空气的能力4.3 系统运行时间降温效果的影响模拟了通风量为40000m3/h的情况下，6月中旬9月中旬这段时间内，室外空气经过地下空间冷却后的日平均温度。图9 空气经地下空间冷却后的日平均温度趋势如图9所示，由室外空气日平均温度的变化趋势线与空气经过地下空间后的日平均温度的变化趋势线相比较可以得出：在整个夏季运行工况中，随着系统运行时间的增加，地下空间冷却空气的能力有一定程度的降低。其主要原因是由于在整个运行过程中，室外空气经过地下空间时将热量通过地下围护结构转移给土壤，使得地下空间周围土壤的温度有所提高，然而土壤较大的蓄热能力削弱了空气向土壤传递的热量对土壤温度的影响，因此周围土壤温升幅度较小，使空气降温的能力产生一定程度的衰减。4.4 系统运行方式对降温效果的影响模拟了通风量为40000m3/h，系统连续运行和间歇运行（每天10：0022：00之间运行）这两种运行方式对地下空间的供冷能力的影响。图10 两种运行方式下空气经地下空间后的温度图11 两种运行方式下地下空间白天的供冷能力由于在间歇运行工况下，通风系统夜间不运行，地下空间周围的土壤有一段时间的恢复期，使得在白天能提供较高的供冷能力。如图10所示，在7月27，28，29这三天内，间歇运行工况下，白天空气经过地下空间后的温度比连续运行要低1.2左右。另外，通过对两种运行方式下,地下空间的平均供冷能力的计算，由图11所示，间歇运行工况中，地下空间的供冷能力比连续运行要提高近45%。5 结论本文将空气通过地下空间时，空气侧的换热过程与土壤侧非稳态导热过程相耦合，建立了简化的动态能量传递模型，通过与文献中的计算方法相比较验证了该模型的可靠性。另外，本文利用该模型模拟了上海某实际工程中，地下空间冷却室外空气的效果，并分析了各种因素对这种降温效果的影响，得到以下结论：1）利用地下空间通风对室外空气进行预冷的效果显著。2）增加通风量会降低地下空间对空气的冷却效率，但就整个夏季而言，可以提高总的供冷量，且当通风量较大时，随着通风量增加供冷量提高不明显。3）具有较大体型系数的地下空间能提供更大的冷却空气的能力。4）当通风系统运行时间较长时，地下空间对空气的降温能力有一定程度的衰减。5）间歇运行的方式可以使地下空间白天的供冷能力比连续运行时提高近45%。参 考 文 献(1) 刘晓燕,赵军等. 土壤恒温层温度及深度研究J.太阳能学报 2007，28（5）：495-498(2) 刘俊,张旭等. 地源热泵土壤温度恢复特性研究J.暖通空调 2008，38（11）：147-150(3) 陶文铨.数值传热学M.西安:西安交通大学出版社,19