综合管廊地道风降温及节能效果预测分析

综合管廊地道风降温及节能效果预测分析

杨波

华工科技产业股份有限公司 湖北省430000

摘要：综合管廊是位于地下能够容纳各类市政管线的市政基础设施，近年来在全国各地得到了快速膨胀式的发展，管廊一般位于地面以下2.5～4 m, 该深度范围内受地表温度影响较小，其内部温度较为稳定。

关键词：综合管廊；节能

引言

管廊冬暖夏凉，尤其是在夏季，管廊内壁面温度较低且稳定，管廊内部舱室断面大、流经一定流量的空气时风速较低，能够与管廊壁面及周围土壤实现较传统地道风系统更为充分的换热，且不需新建专门的地道或地埋管，具有传统地道风系统所不具备的天然优势。因此，管廊为地道风的应用提供了先天的有利条件，可考虑利用管廊作为地道风的通道为管廊沿线附近的建筑物提供能源，节约建筑物的能耗(管廊地道风系统示意图见图1)。本文对建筑物利用管廊地道风系统进行了降温效果分析与节能预测，以期在不久的将来在实际工程中得到广泛应用，达到充分利用自然能源、节约建筑能耗的目的。

图1 管廊地道风系统示意图 

1 管廊地道风降温计算模型

当一定量的温度较高的室外空气流经一段长度管廊的过程中，由于流经的空气与管廊壁面存在一定的温差，空气会与管廊壁面进行换热，管廊又会与周围土壤进行换热，如此，温度较高的室外空气流经管廊时受到管廊壁面的冷却，在出口处可以得到温度较低的空气。

管廊地道风与管廊壁面、周围土壤的换热是一个十分复杂的非稳态耦合传热过程(计算模型见图2),受气象参数、管廊结构、土壤特性、空调负荷、运行时间等多种因素的共同影响。为简化管廊地道风系统的传热模型，本文做出如下假定：①土壤导热系数、比热等物性参数为恒定值，管廊结构及材料在博物馆、影院、礼堂、学校、村镇住宅等工程中得到了实际的应用；②管廊内空气与管廊壁面及内部管线表面的换热参数相同；③管廊地道风传热过程中，廊内各表面之间的热辐射占比较小，忽略此部分换热；④管廊地道风与各壁面、周围土壤之间为导热问题，忽略传质现象对换热效果的影响；⑤地道风在管廊整个断面上的流速均匀稳定；⑥不计管廊地道风出口与建筑物之间的新风引入段对换热的影响。

图2 空气流经管廊空气温度计算模型 

空气流经管廊的进出口温度计算模型如图2所示。室外空气通过的管廊总长为L,空气流量为G,取一微元的长度dx,其管廊内各壁面(含管廊内壁和廊内管线壁面)换热面积为dF,空气经过dx距离后的温度变化为dtx,根据能量守恒原理，空气经过dx后热量的变化与通过管廊内壁面dF的热量相等，即得到式(1):

式中：t0为管廊壁面温度，℃;

tx为管廊微元长度dx处空气温度，℃;

K为管廊内壁面的传热系数，W/(m2·K);

c为空气比热容，kJ/(m2·K);

F为管廊内各壁面面积， m2。

对式(1)积分整理可得式(2):

式中：tout为管廊出口空气温度，℃;

tin管廊进口空气温度，℃。

对式(2)进行整理可得到室外空气通过管廊的出口温度式(3):

式(1)～(3)的推导基于管廊地道风系统连续运行工况，而实际工程中地道风系统多为间歇运行，应对式(3)进行修正，考虑一定的间歇运行修正系数B,则式(3)修正为式(4):

2 管廊地道风降温效果影响分析

本文以位于北京地区的一条管廊的水信舱为研究对象，计算并分析了管廊地道风流经的长度、地道风进口温度、管廊埋深(本文管廊埋深指地面至管廊中心的距离)、风速(风量)等主要因素对地道风系统降温效果的影响。管廊地道风系统的主要计算参数见表1。

表1 管廊地道风主要计算参数

2.1 管廊长度对通风效果的影响

管廊地道风在管廊内流经的长度是影响系统降温效果的一项主要因素，本文以管廊埋深5 m、送风量2500 m3/h、进口空气温度33.5 ℃为前提条件，针对20～300 m的管廊长度对地道风降温效果进行了计算分析，结果如图3所示。

图3 出口温度随管廊长度的变化

由图3可知，管廊地道风流经的距离对出口温度的影响存在如下特点：总体趋势是出口温度随着管廊地道风流经的距离的增大而下降；当地道风流经距离在0～120 m范围内时，随着流经距离的增大，出口空气温度有较大幅度的降低；当地道风流经距离超过120 m时，出口空气温度随着流经距离的增大也呈降低的趋势，但降低的幅度明显降低，出口空气温度基本保持稳定，接近管廊周围的土壤温度。

分析其原因，是由于管廊地道风在进口处气温较高，随着空气在管廊内的流动，与管廊内壁面进行热量传递、向周围土壤传热，地道风温度沿程逐步降低，逐渐接近管廊周围土壤的温度(土壤计算温度为14.81 ℃),空气与管廊壁面、土壤的温差逐步降低，传热效率会随着流经距离的增大而降低。因此，当一定初始温度、一定流量的室外空气流经一段长度的管廊时，流经距离越长，出口空气温度越低，但温度降幅会降低，空气与管廊壁面、土壤的平均温差降低，平均换热效率下降。

2.2 进口空气温度对出口温度的影响

管廊地道风进口空气温度对管廊地道风系统的降温效果会产生较为直接的影响。本文以管廊埋深5 m、送风量2500 m3/h、流经管廊长度50 m为前提，针对地道风进口空气温度对系统降温效果进行了计算分析，结果如图4所示。

图4 出口温度随进口温度的变化

由图4可见：①当管廊地道风进口温度为42 ℃时，出口温度为22.85 ℃、进出口空气温差为19.15 ℃;管廊地道风进口温度为24 ℃时，出口温度为17.75 ℃、进出口空气温差为6.25 ℃。②管廊地道风出口空气温度随进口温度的降低而逐渐降低，且进出口空气温差也随进口温度的降低而降低。

2.3 管廊埋深对出口温度的影响

埋深是管廊地道风系统降温效果的另一项重要影响因素。管廊的埋深与周围土壤的温度有较大的关系，由于管廊工程涉及到的多为浅层土壤，浅层土壤受太阳辐射及室外气温的影响较大，土壤温度随深度的增加有下降的趋势。本文以流经管廊长度50 m、进口空气温度33.5 ℃、送风量2500 m3/h为前提，针对不同的管廊埋深对管廊地道风系统的降温效果进行了计算分析，结果如图5所示。

图5 出口温度随管廊埋深的变化 

由图5可知，管廊埋深在7 m以上时，随着埋深的增大，地道风出口温度逐渐降低，但在4～7 m埋深范围内，地道风出口温度随埋深变化的幅度明显减小；在管廊埋深7 m时，土壤温度及地道风出口温度出现拐点，土壤温度和空气出口温度随着管廊的埋深增大有缓慢上升并逐渐稳定的趋势。

分析其原因，是由于土壤温度有如下变化规律：在最上面的浅层土壤，受太阳辐射及室外气温影响较大，夏季室外气温较高时，土壤温度较高，此时管廊壁面温度较高，地道风出口温度相应较高；随着管廊埋深的增大，土壤温度受外部因素的影响逐渐降低，土壤温度逐渐下降，管廊壁面温度降低，地道风出口温度相应减小；根据图5,当管廊埋深在7 m时，土壤温度出现拐点，土壤温度变化趋势随着管廊埋深增大变为稍微增大并趋于稳定，这是由于随着深度的增大，土壤受到太阳辐射、室外温度和地球内部其他各种因素的共同影响，深度越深，土壤受外部因素的影响越小，而受地球地壳内部热量的影响会逐步增大，在一定深度范围内各种能量达到平衡状态，温度保持基本稳定。

3展望

目前，管廊地道风系统在建筑通风空调工程中尚无实际工程应用，处于初步研究阶段，根据本文研究分析，管廊地道风是一种可以利用的建筑技术，科学合理的运用能够达到较好的节能效果，是具有较大潜力的研究方向。

参考文献

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2020[M].北京：中国建筑工业出版社，2020.

[2] 周翔，欧阳沁，朱颖心，等.地道风降温技术的数值模拟和应用研究[C].全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集，兰州，2004.

[3] 张亚立，关文吉，沙玉兰.敦煌市博物馆自然通风系统方案设计[J].暖通空调.2007,37(10):98-102.