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土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 版權信息
- ISBN：9787030748324
- 條形碼：9787030748324 ; 978-7-03-074832-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 內容簡介
土壤-鄄空氣換熱器（EAHE）是將淺層巖土蓄積的冷/熱量搬運至建筑空間并對室內熱環境進行被動調控的重要技術。本書關注動態室外熱環境下EAHE與建筑本體蓄熱的耦合作用，力圖對這一跨時間尺度的非線性問題進行定量描述，以期實現EAHE的集約利用及與建筑本體的高效融合。本書不僅注重利用作者發展的新方法對蓄熱通風作用下的室內熱環境動態特性以及EAHE與建筑本體蓄熱的耦合效應進行定量描述，還力圖進行物理上的闡釋；同時，結合案例展現了這些理論方法在實際應用中的價值。
土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 EAHE簡介 1
1.2 EAHE改善建筑室內熱環境的原理 2
1.3 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應簡述 5
1.3.1 建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用 5
1.3.2 EAHE與建筑本體蓄熱耦合的多重時間尺度性與非線性 6
1.4 本書主要內容 7
參考文獻 8
第2章 通風與建筑本體蓄熱非線性耦合模型 11
2.1 恒定通風氣流與建筑本體蓄熱耦合 11
2.1.1 Yam等的模型及解析解 11
2.1.2 周軍莉等的模型 12
2.1.3 改進的模型 14
2.1.4 改進的模型與現有模型的對比 16
2.2 熱壓驅動通風氣流與建筑本體蓄熱非線性耦合 18
2.2.1 Yam等的模型及啟示 19
2.2.2 基于傅里葉級數表達的模型及其近似解 19
2.2.3 模型驗證與新現象解釋 27
2.2.4 漸近解的應用價值討論 33
參考文獻 34
第3章 動態室外熱環境下的EAHE換熱模型 35
3.1 室外空氣溫度與土壤原始溫度表征 35
3.1.1 室外空氣溫度與綜合溫度 35
3.1.2 土壤溫度分布 37
3.2 圓形截面EAHE換熱模型 39
3.2.1 EAHE周圍土壤的過余波動溫度 39
3.2.2 拉普拉斯變換簡述 40
3.2.3 EAHE周圍土壤動態導熱過程的數學描述 41
3.2.4 EAHE出口空氣溫度解析式 43
3.2.5 圓形截面EAHE數值模擬 44
3.3 扁平截面EAHE換熱模型 46
3.3.1 EAHE周圍土壤的動態導熱過程 48
3.3.2 EAHE出口空氣溫度解析式 50
3.3.3 扁平截面EAHE數值模擬 51
3.4 圓形截面EAHE與扁平截面EAHE的性能對比 52
3.4.1 圓形與扁平截面EAHE埋管周圍土壤溫度分布 52
3.4.2 圓形與扁平截面EAHE換熱性能對比 55
3.4.3 關鍵參數對兩種截面EAHE出口空氣溫度波動特性的影響 58
3.4.4 截面寬高比對扁平截面EAHE換熱性能的影響 60
3.5 EAHE熱濕耦合傳遞模型初探 62
3.5.1 模型假設 62
3.5.2 EAHE周圍土壤的動態導熱過程 65
3.5.3 熱濕耦合傳遞模型控制方程 67
3.5.4 實驗驗證 70
3.5.5 模型局限性評述 76
參考文獻 76
第4章 風量恒定的EAHE與建筑蓄熱的耦合效應 78
4.1 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應的形成 78
4.2 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合的數學模型 79
4.2.1 EAHE管內空氣與土壤的換熱模型 79
4.2.2 EAHE與建筑蓄熱耦合模型 87
4.2.3 實驗驗證 91
4.3 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合效應的影響因素 94
4.3.1 影響年周期室內空氣溫度的參數 94
4.3.2 影響日周期室內空氣溫度的參數 96
4.4 案例分析 98
參考文獻 100
第5章 熱壓驅動通風的EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應 101
5.1 EAHEBV模式的原理 101
5.2 EAHEBV模式的數學模型 102
5.2.1 模型假設 102
5.2.2 理論模型的控制方程 102
5.2.3 控制方程的拆解及無量綱化 104
5.2.4 模型求解 105
5.3 EAHEBV模式數值模擬 108
5.3.1 模擬算例 108
5.3.2 數值模擬結果分析 110
5.4 EAHEBV、EAHEMV與BV模式的性能對比 113
5.4.1 案例介紹 114
5.4.2 結果討論與分析 114
參考文獻 118
第6章 以室內熱環境調控需求為導向的EAHE逆向匹配理論 120
6.1 EAHE調控建筑室內熱環境的正向模型回顧 120
6.1.1 EAHE出口空氣溫度的波動特征 121
6.1.2 建筑室內空氣溫度的波動特性 123
6.2 EAHE逆向匹配方法 124
6.2.1 逆向匹配方法的基本思路 124
6.2.2 調控目標的確定 125
6.2.3 滿足調控需求的EAHE出口空氣溫度特征波動參數 126
6.2.4 EAHE參數的確定 129
6.2.5 逆向匹配方法的流程 132
6.3 逆向匹配方法的驗證 134
6.3.1 模擬案例 134
6.3.2 調控目標達成度分析 135
6.4 建筑本體參數與EAHE參數的互補效應 136
參考文獻 138
第1章 緒論 1
1.1 EAHE簡介 1
1.2 EAHE改善建筑室內熱環境的原理 2
1.3 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應簡述 5
1.3.1 建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用 5
1.3.2 EAHE與建筑本體蓄熱耦合的多重時間尺度性與非線性 6
1.4 本書主要內容 7
參考文獻 8
第2章 通風與建筑本體蓄熱非線性耦合模型 11
2.1 恒定通風氣流與建筑本體蓄熱耦合 11
2.1.1 Yam等的模型及解析解 11
2.1.2 周軍莉等的模型 12
2.1.3 改進的模型 14
2.1.4 改進的模型與現有模型的對比 16
2.2 熱壓驅動通風氣流與建筑本體蓄熱非線性耦合 18
2.2.1 Yam等的模型及啟示 19
2.2.2 基于傅里葉級數表達的模型及其近似解 19
2.2.3 模型驗證與新現象解釋 27
2.2.4 漸近解的應用價值討論 33
參考文獻 34
第3章 動態室外熱環境下的EAHE換熱模型 35
3.1 室外空氣溫度與土壤原始溫度表征 35
3.1.1 室外空氣溫度與綜合溫度 35
3.1.2 土壤溫度分布 37
3.2 圓形截面EAHE換熱模型 39
3.2.1 EAHE周圍土壤的過余波動溫度 39
3.2.2 拉普拉斯變換簡述 40
3.2.3 EAHE周圍土壤動態導熱過程的數學描述 41
3.2.4 EAHE出口空氣溫度解析式 43
3.2.5 圓形截面EAHE數值模擬 44
3.3 扁平截面EAHE換熱模型 46
3.3.1 EAHE周圍土壤的動態導熱過程 48
3.3.2 EAHE出口空氣溫度解析式 50
3.3.3 扁平截面EAHE數值模擬 51
3.4 圓形截面EAHE與扁平截面EAHE的性能對比 52
3.4.1 圓形與扁平截面EAHE埋管周圍土壤溫度分布 52
3.4.2 圓形與扁平截面EAHE換熱性能對比 55
3.4.3 關鍵參數對兩種截面EAHE出口空氣溫度波動特性的影響 58
3.4.4 截面寬高比對扁平截面EAHE換熱性能的影響 60
3.5 EAHE熱濕耦合傳遞模型初探 62
3.5.1 模型假設 62
3.5.2 EAHE周圍土壤的動態導熱過程 65
3.5.3 熱濕耦合傳遞模型控制方程 67
3.5.4 實驗驗證 70
3.5.5 模型局限性評述 76
參考文獻 76
第4章 風量恒定的EAHE與建筑蓄熱的耦合效應 78
4.1 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應的形成 78
4.2 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合的數學模型 79
4.2.1 EAHE管內空氣與土壤的換熱模型 79
4.2.2 EAHE與建筑蓄熱耦合模型 87
4.2.3 實驗驗證 91
4.3 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合效應的影響因素 94
4.3.1 影響年周期室內空氣溫度的參數 94
4.3.2 影響日周期室內空氣溫度的參數 96
4.4 案例分析 98
參考文獻 100
第5章 熱壓驅動通風的EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應 101
5.1 EAHEBV模式的原理 101
5.2 EAHEBV模式的數學模型 102
5.2.1 模型假設 102
5.2.2 理論模型的控制方程 102
5.2.3 控制方程的拆解及無量綱化 104
5.2.4 模型求解 105
5.3 EAHEBV模式數值模擬 108
5.3.1 模擬算例 108
5.3.2 數值模擬結果分析 110
5.4 EAHEBV、EAHEMV與BV模式的性能對比 113
5.4.1 案例介紹 114
5.4.2 結果討論與分析 114
參考文獻 118
第6章 以室內熱環境調控需求為導向的EAHE逆向匹配理論 120
6.1 EAHE調控建筑室內熱環境的正向模型回顧 120
6.1.1 EAHE出口空氣溫度的波動特征 121
6.1.2 建筑室內空氣溫度的波動特性 123
6.2 EAHE逆向匹配方法 124
6.2.1 逆向匹配方法的基本思路 124
6.2.2 調控目標的確定 125
6.2.3 滿足調控需求的EAHE出口空氣溫度特征波動參數 126
6.2.4 EAHE參數的確定 129
6.2.5 逆向匹配方法的流程 132
6.3 逆向匹配方法的驗證 134
6.3.1 模擬案例 134
6.3.2 調控目標達成度分析 135
6.4 建筑本體參數與EAHE參數的互補效應 136
參考文獻 138
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土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 節選
第1章 緒論 1.1 EAHE簡介 2018年，建筑消耗了全球總能源的35%左右，并貢獻了全球二氧化碳排放量的28%左右[1]。其中，約三分之一的建筑能耗與供暖、通風與空調系統相關[2]。因此，建筑領域的節能減排對實現 “碳達峰”與“碳中和”來說至關重要[3]。如何利用可再生能源改善建筑室內熱環境，從而減少對化石燃料的消耗與依賴，是備受關注的問題。 地熱是儲量巨大的可再生能源。淺層巖土所蓄積的天然冷/熱量可被直接或間接地用于建筑室內熱環境調控。國家發展和改革委員會等四部委發布的《綠色技術推廣目錄（2020年）》特別提到，要加快對低品位余熱和中深層地巖換熱清潔供暖技術的推廣和應用[4]。目前，利用淺層地熱改善建筑室內熱環境的途徑之一是依靠地源熱泵（ground source heat pump，GSHP），它一般以水為媒介，間接地將巖土中蘊藏的低品位冷/熱量轉移到室內[5-7]，實現對室內熱環境的改善。 土壤-空氣換熱器（earth to air heat exchanger，EAHE）是另一種利用淺層地熱的技術。如圖1-1所示，其利用風機或熱壓作為動力，將室外空氣引入地埋管中進行換熱，并直接以空氣為媒介，將巖土中儲存的冷/熱量直接傳遞到室內，從而減少供暖與空調負荷。相比于地源熱泵系統，EAHE具有系統簡單、施工方便、建造及運行費用低、能同時供應新風與冷/熱量等優點。而且，EAHE省去了機組的熱力循環過程，減少了因使用含氟制冷劑而對大氣臭氧層的破壞。 EAHE的使用*早可追溯到兩千多年的中東地區。近年來，EAHE的工程應用案例大幅增加，遍及歐洲、中東、南亞與北美的十余種建筑類型[8-15]。在國內，EAHE也被稱作地道風，已廣泛用于影劇院、禮堂及工業廠房等建筑。我國在20世紀六七十年代建造了大量的人工地道，如人防工程硐室等，這也為地道風與地上建筑的聯用創造了條件。由于EAHE對各種氣候條件與建筑類型表現出了良好的適宜性[8，15，16]，被公認為*具前景的被動式建筑技術之一[9]。近十年來，關于EAHE的研究成果在建筑熱環境領域國際主流學術期刊中占據了很大的比重，說明EAHE也成了學術界的熱點問題。 EAHE的分類方式較多，筆者進行了如下歸納。 （1）若按照EAHE的地埋管布置方式分類，可將其分為水平、垂直與不規則埋管系統。其中，水平埋管系統是指地埋管呈水平敷設[12，17，18]；垂直埋管系統是指地埋管呈垂直敷設[19-21]；不規則埋管系統是指地埋管的敷設方式不規則，比如沿水平或垂直方向以螺旋形式進行布置[22，23]。 （2）若按照EAHE地埋管的空氣來源分類，可分為開式與閉式系統，如圖1-2所示。開式系統是指EAHE直接從室外環境中取風，空氣經過地埋管預熱或預冷處理后進入建筑室內，然后在室內流通后再排放至室外[17，24]；而閉式系統則是將EAHE取風口置于室內，將室內排風引入EAHE地埋管進行重新換熱[25，26]。 （3）若按照地埋管數量分類，可分為單管式與多管式EAHE。單管式EAHE是指整個系統只包含一根地埋管[17，20]；而多管式EAHE是指系統包含多根地埋管[27，28]。 （4）若按照驅動地埋管氣流的動力來源分類，可分為機械通風與誘導通風系統。機械通風系統是依靠風機提供空氣在EAHE管內與建筑室內流動所需的動力[12，17，19，23]；而誘導通風系統則是依靠建筑室內產生的熱壓或室外環境風壓驅動空氣流動[29-31]。 1.2 EAHE改善建筑室內熱環境的原理 一般認為，室外空氣溫度存在年、日兩個波動周期。若將室外空氣溫度曲線抽象為簡諧波（比如余弦函數），那么表征該周期性波動曲線的特征參數有三個，分別為平均值、振幅與相位差。圖1-3以典型夏熱冬冷地區重慶為例，用余弦函數表征了其典型年的室外空氣溫度曲線，可以看出，其振幅達到了12℃左右。圖1-4給出了重慶典型夏季日室外空氣溫度的變化曲線。通風與建筑圍護結構傳熱使得室內外環境之間發生熱量交換，這導致在沒有采用空調與采暖措施時，室內空氣溫度在夏季會遠超舒適溫度區的上限，而在冬季又遠低于舒適溫度區的下限。 由于巖土具有熱惰性，隨著深度的增加，室外氣候參數波動對巖土溫度的影響會越來越小。如果把巖土抽象為半無限大物體，且把巖土的溫度曲線也視作簡諧波，則其振幅在深度方向上衰減；同時，巖土溫度的波動滯后于室外空氣溫度和地表溫度的變化，并且隨著深度的增加，巖土溫度與室外空氣溫度的相位差越來越大。當達到一定深度時（該深度取決于巖土的熱物性），其溫度與室外空氣溫度的年平均值基本相同[32-34]，而振幅可被忽略。圖1-5給出了實測得到的重慶夏季某日與冬季某日的室外空氣溫度與不同深度處的土壤溫度變化曲線。可以看出，即便是淺層巖土，其溫度在夏季也會顯著低于室外空氣溫度，而在冬季又會普遍高于室外空氣溫度，而這個溫差正是EAHE管內空氣與周圍巖土換熱的動力。 由于EAHE出口空氣溫度與室外空氣溫度的振幅及相位存在差異，EAHE介入建筑后會顯著影響室內空氣溫度的波動特性。還是以重慶為例，圖1-3示意了在連續運行的EAHE作用下年周期中的室內空氣溫度的變化情況，而圖1-4示意了在連續運行的EAHE作用下某典型夏季日的室內空氣溫度的變化情況。為簡單起見，這里并未計入室內熱源帶來的溫升。可以看出，在EAHE作用下，室內空氣溫度波動呈現以下三個特點。 （1）夏季日周期中的室內空氣溫度平均值低于室外空氣溫度平均值。然而，在年周期中，室內空氣溫度的平均值與室外空氣溫度的平均值相當。這是因為，巖土與大氣環境在年周期中基本處于熱平衡，使得EAHE出口空氣溫度與室外空氣溫度的年周期平均值并無二致。 （2）在年、日兩個周期中，室內空氣溫度的波動均明顯滯后于室外空氣溫度，這意味著EAHE的介入導致室內高溫和低溫時節或者時段的推遲。如圖1-4所示，在某典型夏季日周期中，室外空氣溫度的峰值出現在12：30，而室內空氣溫度的峰值出現在18：00，該相位差為EAHE應用到辦公建筑中并減少空調系統運行時間提供了可能。而在年周期中，室內外空氣溫度的相位差甚至達到了數十天。 （3）在年、日兩個周期中，室內空氣溫度的振幅均明顯減小。在某典型夏季日周期中，室內空氣溫度平均值降低與振幅衰減的共同作用使得室內空氣溫度在大部分時間都落在了舒適溫度區內。而在年周期中，雖然室內空氣溫度平均值相對于室外空氣溫度未發生變化，但其振幅衰減卻使得室內空氣溫度落在舒適溫度區間內的時長顯著增加。 由此可見，EAHE在年周期中可影響室內空氣溫度的振幅及相位差，而在日周期中可同時影響室內空氣溫度的時間平均值、振幅及相位差。于是，量化EAHE作用下室內空氣溫度的特征波動參數對于衡量EAHE改善室內熱環境的效果來說至關重要，然而，EAHE的作用并不是孤立地由其自身的換熱性能決定的，而是跟EAHE與建筑本體的耦合效應密切相關。 1.3 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應簡述 1.3.1 建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用 當利用機械動力或者熱壓對建筑進行通風時，建筑本體蓄熱（building thermal mass）可以被動地調節室內空氣溫度。建筑蓄熱體又可以分為內部蓄熱體與外部蓄熱體兩類，其中，家具與隔墻等未直接與室外空氣接觸的蓄熱體為內部蓄熱體，而外墻與屋頂等同時與室內外空氣相接觸的蓄熱體為外部蓄熱體[35]。內部蓄熱體調節室內熱環境的原理比較簡單，以夏季或者過渡季為例，其在一天中氣溫較高時吸熱，而在氣溫變低時放熱，使得室內空氣溫度的波動幅度變小，并降低了冷負荷的峰值。外部蓄熱體的傳蓄熱過程相對復雜，這是因為室外空氣溫度、太陽輻射強度與室內空氣溫度均呈現波動，并且，幾者的波動并不同步。值得注意的是，如果孤立地看外部蓄熱體對室內空氣溫度的作用，該作用未必是正面的。在建筑熱工學中，通常用諧波響應法、響應因子法與Z函數傳遞法等來解析外墻的熱過程[36]。 要量化建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用就需要回答以下兩個重要問題，一是影響其調節作用的關鍵參數是什么？二是其調節作用該如何衡量？為此，Yam等[37]將建筑抽象為如圖1-6所示的雙開口單區模型，將室外空氣溫度視為簡諧波并作為自變量，將室內空氣溫度簡諧波的相位滯后與振幅作為函數（圖1-7），以此來衡量建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用。他們提出無量綱蓄熱體表面傳熱參數與內部蓄熱體時間常數兩個影響因素，獲得了室內空氣溫度相位滯后和振幅衰減的計算式，并從數學上證明室內空氣溫度相對于室外空氣溫度的滯后時間極值為6h。應當說，Yam等為解析建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調節作用提供了很好的思路。但是，當熱壓與建筑本體蓄熱耦合時，室內空氣溫度與通風流量會出現不同步波動，致使該問題變成了非線性問題，Yam等對此未能給出嚴格的解析解。另外，Yam等只考慮了內部蓄熱體的作用。 周軍莉等[35]同時考慮內、外蓄熱體的作用，仍然把室內空氣溫度曲線視為簡諧波，采用諧波響應法計算外墻的內表面溫度，解析出通風量為恒定值時的室內空氣溫度振幅與相對于室外空氣溫度的相位差。從其計算結果看出，考慮外墻的作用后，室內空氣溫度相對于室外空氣溫度的相位差可能超過6h。 總結前人的研究，不難發現以下兩點：一是建筑本體蓄熱對于室內空氣溫度的調控作用僅限于日周期內；二是熱壓通風與建筑蓄熱耦合后會強化該問題的非線性，對其進行解析會變得很困難。 1.3.2 EAHE與建筑本體蓄熱耦合的多重時間尺度性與非線性 應當注意到，EAHE介入建筑后，并不是獨立地影響建筑室內熱環境，這從室內空氣與EAHE出口空氣溫度波動特性的差異可以看出。EAHE與建筑結合后，不可避免地會引入巖土蓄熱與建筑本體蓄熱的耦合，二者的耦合效應才是決定室內空氣溫度波動特性的關鍵。然而，二者的蓄熱容量與時間尺度均存在巨大差異。建筑本體蓄熱對室內空氣溫度的調控作用僅限于日周期內，而巖土蓄熱卻具備在年周期中對EAHE管內空氣溫度進行“削峰填谷”的能力。EAHE在年周期中的作用又不可避免地傳遞到日周期中，進而與建筑本體蓄熱在日周期中的作用形成疊加。這說明，EAHE與建筑本體蓄熱的耦合是一個多時間尺度問題。若能解析這個多時間尺度問題，則可能催生二者在年、日兩個周期的正面作用，進而實現建筑本體蓄熱與EAHE的高效協同；反之，二者就可能相互抵觸。 對EAHE與建筑本體蓄熱耦合這個多時間尺度問題進行定量描述或者解析并不容易。巖土的蓄/放熱過程調制了EAHE出口空氣溫度波，而巖土蓄/放熱與建筑本體蓄/放熱的熱流疊加調制了室內空氣溫度波。值得注意的是，這兩個呈現周期性波動的熱流并不是線性疊加的。圖1-8示意了兩個周期性波動的矢量與在復數空間的疊加過程及得到的結果。由于與存在相位差，疊加具有非線性效應，疊加結果跟二者的振幅與相位差均存在關系。這也說明，EAHE與建筑本體蓄熱的耦合過程具有非線性特征。
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