土壤-空气换热器与建筑蓄热耦合理论

第1章　绪论 1.1　EAHE简介 2018年，建筑消耗了全球总能源的35%左右，并贡献了全球二氧化碳排放量的28%左右[1]。其中，约三分之一的建筑能耗与供暖、通风与空调系统相关[2]。因此，建筑领域的节能减排对实现 “碳达峰”与“碳中和”来说至关重要[3]。如何利用可再生能源改善建筑室内热环境，从而减少对化石燃料的消耗与依赖，是备受关注的问题。 地热是储量巨大的可再生能源。浅层岩土所蓄积的天然冷/热量可被直接或间接地用于建筑室内热环境调控。国家发展和改革委员会等四部委发布的《绿色技术推广目录（2020年）》特别提到，要加快对低品位余热和中深层地岩换热清洁供暖技术的推广和应用[4]。目前，利用浅层地热改善建筑室内热环境的途径之一是依靠地源热泵（ground source heat pump，GSHP），它一般以水为媒介，间接地将岩土中蕴藏的低品位冷/热量转移到室内[5-7]，实现对室内热环境的改善。 土壤-空气换热器（earth to air heat exchanger，EAHE）是另一种利用浅层地热的技术。如图1-1所示，其利用风机或热压作为动力，将室外空气引入地埋管中进行换热，并直接以空气为媒介，将岩土中储存的冷/热量直接传递到室内，从而减少供暖与空调负荷。相比于地源热泵系统，EAHE具有系统简单、施工方便、建造及运行费用低、能同时供应新风与冷/热量等优点。而且，EAHE省去了机组的热力循环过程，减少了因使用含氟制冷剂而对大气臭氧层的破坏。 EAHE的使用*早可追溯到两千多年的中东地区。近年来，EAHE的工程应用案例大幅增加，遍及欧洲、中东、南亚与北美的十余种建筑类型[8-15]。在国内，EAHE也被称作地道风，已广泛用于影剧院、礼堂及工业厂房等建筑。我国在20世纪六七十年代建造了大量的人工地道，如人防工程硐室等，这也为地道风与地上建筑的联用创造了条件。由于EAHE对各种气候条件与建筑类型表现出了良好的适宜性[8，15，16]，被公认为*具前景的被动式建筑技术之一[9]。近十年来，关于EAHE的研究成果在建筑热环境领域国际主流学术期刊中占据了很大的比重，说明EAHE也成了学术界的热点问题。 EAHE的分类方式较多，笔者进行了如下归纳。 （1）若按照EAHE的地埋管布置方式分类，可将其分为水平、垂直与不规则埋管系统。其中，水平埋管系统是指地埋管呈水平敷设[12，17，18]；垂直埋管系统是指地埋管呈垂直敷设[19-21]；不规则埋管系统是指地埋管的敷设方式不规则，比如沿水平或垂直方向以螺旋形式进行布置[22，23]。 （2）若按照EAHE地埋管的空气来源分类，可分为开式与闭式系统，如图1-2所示。开式系统是指EAHE直接从室外环境中取风，空气经过地埋管预热或预冷处理后进入建筑室内，然后在室内流通后再排放至室外[17，24]；而闭式系统则是将EAHE取风口置于室内，将室内排风引入EAHE地埋管进行重新换热[25，26]。 （3）若按照地埋管数量分类，可分为单管式与多管式EAHE。单管式EAHE是指整个系统只包含一根地埋管[17，20]；而多管式EAHE是指系统包含多根地埋管[27，28]。 （4）若按照驱动地埋管气流的动力来源分类，可分为机械通风与诱导通风系统。机械通风系统是依靠风机提供空气在EAHE管内与建筑室内流动所需的动力[12，17，19，23]；而诱导通风系统则是依靠建筑室内产生的热压或室外环境风压驱动空气流动[29-31]。 1.2　EAHE改善建筑室内热环境的原理 一般认为，室外空气温度存在年、日两个波动周期。若将室外空气温度曲线抽象为简谐波（比如余弦函数），那么表征该周期性波动曲线的特征参数有三个，分别为平均值、振幅与相位差。图1-3以典型夏热冬冷地区重庆为例，用余弦函数表征了其典型年的室外空气温度曲线，可以看出，其振幅达到了12℃左右。图1-4给出了重庆典型夏季日室外空气温度的变化曲线。通风与建筑围护结构传热使得室内外环境之间发生热量交换，这导致在没有采用空调与采暖措施时，室内空气温度在夏季会远超舒适温度区的上限，而在冬季又远低于舒适温度区的下限。 由于岩土具有热惰性，随着深度的增加，室外气候参数波动对岩土温度的影响会越来越小。如果把岩土抽象为半无限大物体，且把岩土的温度曲线也视作简谐波，则其振幅在深度方向上衰减；同时，岩土温度的波动滞后于室外空气温度和地表温度的变化，并且随着深度的增加，岩土温度与室外空气温度的相位差越来越大。当达到一定深度时（该深度取决于岩土的热物性），其温度与室外空气温度的年平均值基本相同[32-34]，而振幅可被忽略。图1-5给出了实测得到的重庆夏季某日与冬季某日的室外空气温度与不同深度处的土壤温度变化曲线。可以看出，即便是浅层岩土，其温度在夏季也会显著低于室外空气温度，而在冬季又会普遍高于室外空气温度，而这个温差正是EAHE管内空气与周围岩土换热的动力。 由于EAHE出口空气温度与室外空气温度的振幅及相位存在差异，EAHE介入建筑后会显著影响室内空气温度的波动特性。还是以重庆为例，图1-3示意了在连续运行的EAHE作用下年周期中的室内空气温度的变化情况，而图1-4示意了在连续运行的EAHE作用下某典型夏季日的室内空气温度的变化情况。为简单起见，这里并未计入室内热源带来的温升。可以看出，在EAHE作用下，室内空气温度波动呈现以下三个特点。 （1）夏季日周期中的室内空气温度平均值低于室外空气温度平均值。然而，在年周期中，室内空气温度的平均值与室外空气温度的平均值相当。这是因为，岩土与大气环境在年周期中基本处于热平衡，使得EAHE出口空气温度与室外空气温度的年周期平均值并无二致。 （2）在年、日两个周期中，室内空气温度的波动均明显滞后于室外空气温度，这意味着EAHE的介入导致室内高温和低温时节或者时段的推迟。如图1-4所示，在某典型夏季日周期中，室外空气温度的峰值出现在12：30，而室内空气温度的峰值出现在18：00，该相位差为EAHE应用到办公建筑中并减少空调系统运行时间提供了可能。而在年周期中，室内外空气温度的相位差甚至达到了数十天。 （3）在年、日两个周期中，室内空气温度的振幅均明显减小。在某典型夏季日周期中，室内空气温度平均值降低与振幅衰减的共同作用使得室内空气温度在大部分时间都落在了舒适温度区内。而在年周期中，虽然室内空气温度平均值相对于室外空气温度未发生变化，但其振幅衰减却使得室内空气温度落在舒适温度区间内的时长显著增加。 由此可见，EAHE在年周期中可影响室内空气温度的振幅及相位差，而在日周期中可同时影响室内空气温度的时间平均值、振幅及相位差。于是，量化EAHE作用下室内空气温度的特征波动参数对于衡量EAHE改善室内热环境的效果来说至关重要，然而，EAHE的作用并不是孤立地由其自身的换热性能决定的，而是跟EAHE与建筑本体的耦合效应密切相关。 1.3　EAHE与建筑本体蓄热耦合效应简述 1.3.1　建筑本体蓄热对室内空气温度的调节作用 当利用机械动力或者热压对建筑进行通风时，建筑本体蓄热（building thermal mass）可以被动地调节室内空气温度。建筑蓄热体又可以分为内部蓄热体与外部蓄热体两类，其中，家具与隔墙等未直接与室外空气接触的蓄热体为内部蓄热体，而外墙与屋顶等同时与室内外空气相接触的蓄热体为外部蓄热体[35]。内部蓄热体调节室内热环境的原理比较简单，以夏季或者过渡季为例，其在一天中气温较高时吸热，而在气温变低时放热，使得室内空气温度的波动幅度变小，并降低了冷负荷的峰值。外部蓄热体的传蓄热过程相对复杂，这是因为室外空气温度、太阳辐射强度与室内空气温度均呈现波动，并且，几者的波动并不同步。值得注意的是，如果孤立地看外部蓄热体对室内空气温度的作用，该作用未必是正面的。在建筑热工学中，通常用谐波响应法、响应因子法与Z函数传递法等来解析外墙的热过程[36]。 要量化建筑本体蓄热对室内空气温度的调节作用就需要回答以下两个重要问题，一是影响其调节作用的关键参数是什么？二是其调节作用该如何衡量？为此，Yam等[37]将建筑抽象为如图1-6所示的双开口单区模型，将室外空气温度视为简谐波并作为自变量，将室内空气温度简谐波的相位滞后与振幅作为函数（图1-7），以此来衡量建筑本体蓄热对室内空气温度的调节作用。他们提出无量纲蓄热体表面传热参数与内部蓄热体时间常数两个影响因素，获得了室内空气温度相位滞后和振幅衰减的计算式，并从数学上证明室内空气温度相对于室外空气温度的滞后时间极值为6h。应当说，Yam等为解析建筑本体蓄热对室内空气温度的调节作用提供了很好的思路。但是，当热压与建筑本体蓄热耦合时，室内空气温度与通风流量会出现不同步波动，致使该问题变成了非线性问题，Yam等对此未能给出严格的解析解。另外，Yam等只考虑了内部蓄热体的作用。 周军莉等[35]同时考虑内、外蓄热体的作用，仍然把室内空气温度曲线视为简谐波，采用谐波响应法计算外墙的内表面温度，解析出通风量为恒定值时的室内空气温度振幅与相对于室外空气温度的相位差。从其计算结果看出，考虑外墙的作用后，室内空气温度相对于室外空气温度的相位差可能超过6h。 总结前人的研究，不难发现以下两点：一是建筑本体蓄热对于室内空气温度的调控作用仅限于日周期内；二是热压通风与建筑蓄热耦合后会强化该问题的非线性，对其进行解析会变得很困难。 1.3.2　EAHE与建筑本体蓄热耦合的多重时间尺度性与非线性 应当注意到，EAHE介入建筑后，并不是独立地影响建筑室内热环境，这从室内空气与EAHE出口空气温度波动特性的差异可以看出。EAHE与建筑结合后，不可避免地会引入岩土蓄热与建筑本体蓄热的耦合，二者的耦合效应才是决定室内空气温度波动特性的关键。然而，二者的蓄热容量与时间尺度均存在巨大差异。建筑本体蓄热对室内空气温度的调控作用仅限于日周期内，而岩土蓄热却具备在年周期中对EAHE管内空气温度进行“削峰填谷”的能力。EAHE在年周期中的作用又不可避免地传递到日周期中，进而与建筑本体蓄热在日周期中的作用形成叠加。这说明，EAHE与建筑本体蓄热的耦合是一个多时间尺度问题。若能解析这个多时间尺度问题，则可能催生二者在年、日两个周期的正面作用，进而实现建筑本体蓄热与EAHE的高效协同；反之，二者就可能相互抵触。 对EAHE与建筑本体蓄热耦合这个多时间尺度问题进行定量描述或者解析并不容易。岩土的蓄/放热过程调制了EAHE出口空气温度波，而岩土蓄/放热与建筑本体蓄/放热的热流叠加调制了室内空气温度波。值得注意的是，这两个呈现周期性波动的热流并不是线性叠加的。图1-8示意了两个周期性波动的矢量与在复数空间的叠加过程及得到的结果。由于与存在相位差，叠加具有非线性效应，叠加结果跟二者的振幅与相位差均存在关系。这也说明，EAHE与建筑本体蓄热的耦合过程具有非线性特征。