一种地下建筑通风系统及其数值传热模型技术方案

本发明专利技术公开了一种地下建筑通风系统，包括通风道，通风道形成于埋设于地下土壤内的埋地管道内，通风道入口位于地表位置，出口位于地下建筑内，其特征在于，通风道外表面包裹设置有一层等厚的相变材料层，相变材料层内填充设置有定形相变材料，相变材料层的外壳形成围护结构并被埋设包覆于地下土壤内。还公开了该系统的数值传热模型。本发明专利技术的地下建筑通风系统，提高通风道和土壤换热效率，更好地降低地下建筑温控能耗，达到节能省排的效果。同时还设计了该系统的数值传热模型，为通风系统设计和实施的可靠性提供更好的保障。和实施的可靠性提供更好的保障。和实施的可靠性提供更好的保障。

【技术实现步骤摘要】
一种地下建筑通风系统及其数值传热模型


[0001]本专利技术涉及地下建筑通风
，具体涉及一种地下建筑通风系统及其数值传热模型。

技术介绍

[0002]空调能耗是建筑能耗中的大户，合理开发利用可再生能源是降低建筑能耗的重要途径。地下建筑在设计和修筑时，通常会考虑从地面引入新风至地下实现通风。同时在通风过程中，由于大地土壤具有冬暖夏凉的特性，故通风道周围土壤会和通风道内风流产生热交换，起到天然换热器的作用，能够更好地降低地下建筑物的温控能耗。
[0003]以地铁车站为例，在地铁车站中，地铁环控系统能耗占地铁总能耗比重大，且具有比较高的节能空间。地铁车站埋深普遍较深，在夏季时，依靠通风道周围土壤冷量形成丰富可利用的自然冷源。地铁新风道连接地铁站内部和室外大气，是一台天然的土壤
‑
空气换热器。但普通的通风道系统，风道直接和土壤接触换热，易造成浅层土壤的冷热堆积效应，土壤冷量利用效率有限。同时，现有的地下建筑通风道在设计过程中，进行传热控制模型设计时，通常是采用简单的空气热平衡方程模型计算，这样即只适用于土壤和空气的简单换热的计算，不能适用于更复杂的含有相变蓄放热过程的换热方式的计算。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种能够更好地利用地下土壤冷(热)量，提高通风道和土壤换热效率，更好地降低地下建筑温控能耗的地下建筑通风系统及其数值传热模型，使得该传热模型更加具有针对性，能够适用于含有相变蓄放热过程的通风道换热方式的计算，为通风道设计的可靠性提供更好的保障。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0006]一种地下建筑通风系统，包括通风道，通风道形成于埋设于地下土壤内的埋地管道内，通风道入口位于地表位置，出口位于地下建筑内，其特征在于，通风道外表面包裹设置有一层等厚的相变材料层，相变材料层内填充设置有固液相变材料(优选为定形相变材料)，相变材料层的外壳形成围护结构并被埋设包覆于地下土壤内。
[0007]这样，在通风道外包裹设置一层相变材料，相变材料可以蓄积夏季夜间冷空气中的冷量和土壤内部的冷量，在白天进行释放，实现冷量的时空转移。夏季白天室外的高温空气从通风道进口流入，经过相变材料层的降温处理，得到低温空气并进入地下建筑。故可以更好地利用地下土壤冷(热)量，提高通风道和土壤换热效率，更好地降低地下建筑温控能耗。
[0008]进一步地，所述地下建筑为地铁车站，通风道入口为地铁车站新风亭。
[0009]地铁车站通常位于地下较深位置，更加适合应用本专利技术方案以利用地下土壤冷量降低温控能耗。
[0010]进一步地，相变材料层内采用质量比97:3的癸酸
‑
棕榈酸二元复合相变材料为相
变蓄热芯材，用占芯材质量10％的膨胀石墨为基材，制得的多孔基定形相变材料。
[0011]这样是从相变材料的相变温度区间、结构稳定、导热性能和过冷度等方面进行综合比较，再经过实验室测试获得，此种复合相变材料的导热性能较好，可以更好地与建筑围护结构进行结合。
[0012]本专利技术还公开了上述地下建筑通风系统的数值传热模型，其特点在于，是将通风道连同外部的相变材料和外部一定厚度范围(通常取4
‑
6m的土壤厚度尺寸)内的土壤层(即热区远边界内的区域)一起视为系统模型的计算域，使模型的计算域的物理部分结构包括由内到外的空气层、相变层和土壤层；将模型沿空气流动方向分段，每一段通风道内的空气视为整体，对三种不同材质部分的传热采用空气热平衡方程、相变材料传热控制方程和土壤传热控制方程展开理论分析后，采用等效热容法处理相变传热过程，并用有限差分法对上述传热控制方程组进行离散处理，然后基于代数方程组的CHASE追赶法(CHASE追赶法是一种现有的线性方程组求解算法)实现求解过程，获得的数值计算模型。
[0013]这样，本模型充分考虑了位于通风道和土壤层之间的相变材料层的储热形式和吸放热效果。同时简化了通风道内进气的传热过程，能够在保证计算结果准确的情况下简化计算过程，提高计算效率。申请人将某实验台的测试数据与本模型模拟计算结果对比，验证了本模型的可靠性和正确性。另外，采用响应曲面分析法进行了多因素分析，并以此为理论依据，可以更加准确和可靠地给出应用在地铁站新风通道中的通风系统的工程设计建议。
[0014]具体地说，建立所述数值传热模型，包括以下步骤：
[0015]步骤1、进行相变层传热计算，计算时基于等效热容法对相变传热过程进行分析，(等效热容法通过将物质的相变潜热看作是包含相变温度的某一温度区间内的一个很大的显热热容。通过这样的简化等效处理后，复杂的非线性相变传热过程可以有效地简化为物质的纯导热传热过程，从而大大降低计算难度。)根据能量守恒方程和等效热容法，相变材料传热过程的传热微分方程如下：
[0016]能量守恒方程：
[0017][0018]等效热容方程：
[0019][0020][0021]式中：C
eff
——相变材料的等效热容，J/(kg
·
℃)；
[0022]λ
pcm
——相变材料的等效导热系数，W/(m
·
℃)；
[0023]Q
l
——相变材料的相变潜热，J/kg；
[0024]C1—相变材料融化前的比热容，J/(kg
·
℃)；
[0025]C2—相变材料融化后的比热容，J/(kg
·
℃)；
[0026]T1—相变材料融化起点温度，℃；
[0027]T2—相变材料融化终点温度，℃；
[0028]λ1—相变材料融化前的导热系数，W/(m
·
℃)；
[0029]λ2—相变材料融化后的导热系数，W/(m
·
℃)；
[0030]根据等效热容法对等效热容和等效导热系数的定义式，对相变材料等效热容和导热系数做线性处理，处理后，实际计算式如下：
[0031][0032]癸酸
‑
棕榈酸二元复合相变材料的相变温度区间是28.16℃至32.68℃，故T1＝28.16℃、T2＝32.68℃，对于等效比热容在相变温度区间有一个波峰数值，为便于计算引入该数值对应的温度为T3＝32.06℃；
[0033]故得到
[0034][0035]步骤2、建立模型的传热控制方程组；
[0036]先建立基本设定，设定地下建筑通风系统位于地表干燥且无阳光直射的土壤层，并对系统传热过程做出如下设定：
[0037]①
空气是不可压缩的，同一截面的气流速度及状态参数分布均匀，且忽略空气湿度的变化对换热性能的影响；
[0038]②
相变材料被等效为一种各向同性的均匀固体介质，其密度和比热在本方法所讨论的温度范围内保持不变，对相变材料的传热忽略其热对流的影响，仅考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下建筑通风系统，包括通风道，通风道形成于埋设于地下土壤内的埋地管道内，通风道入口位于地表位置，出口位于地下建筑内，其特征在于，通风道外表面包裹设置有一层等厚的相变材料层，相变材料层内填充设置有固液相变材料，相变材料层的外壳形成围护结构并被埋设包覆于地下土壤内。2.根据权利要求1所述的地下建筑通风系统，其特征在于，所述地下建筑为地铁车站，通风道入口为地铁车站新风亭。3.根据权利要求2所述的地下建筑通风系统，其特征在于，相变材料层内采用质量比97:3的癸酸
‑
棕榈酸二元复合相变材料为相变蓄热芯材，用占芯材质量10％的膨胀石墨为基材，制得的多孔基定形相变材料。4.一种如权利要求1
‑
3中任一权利要求所述地下建筑通风系统的数值传热模型，其特征在于，是将通风道连同外部的相变材料和外部一定厚度范围内的土壤层一起视为系统模型的计算域，使模型的计算域的物理部分结构包括由内到外的空气层、相变层和土壤层；将模型沿空气流动方向分段，每一段通风道内的空气视为整体，对三种不同材质部分的传热采用空气热平衡方程、相变材料传热控制方程和土壤传热控制方程展开理论分析后，采用等效热容法处理相变传热过程，并用有限差分法对上述传热控制方程组进行离散处理，然后基于代数方程组的CHASE追赶法实现求解过程，获得的数值计算模型。5.根据权利要求4所述的数值传热模型，其特征在于，建立所述数值传热模型，包括以下步骤：步骤1、进行相变层传热计算，计算时基于等效热容法对相变传热过程进行分析，根据能量守恒方程和等效热容法，相变材料传热过程的传热微分方程如下：能量守恒方程：等效热容方程：等效热容方程：式中：C
eff
——相变材料的等效热容，J/(kg
·
℃)；λ
pcm
——相变材料的等效导热系数，W/(m
·
℃)；Q
l
——相变材料的相变潜热，J/kg；C1—相变材料融化前的比热容，J/(kg
·
℃)；C2—相变材料融化后的比热容，J/(kg
·
℃)；T1—相变材料融化起点温度，℃；T2—相变材料融化终点温度，℃；λ1—相变材料融化前的导热系数，W/(m
·
℃)；
λ2—相变材料融化后的导热系数，W/(m
·
℃)；根据等效热容法对等效热容和等效导热系数的定义式，对相变材料等效热容和导热系数做线性处理，处理后，实际计算式如下：癸酸
‑
棕榈酸二元复合相变材料的相变温度区间是28.16℃至32.68℃，故T1＝28.16℃、T2＝32.68℃，对于等效比热容在相变温度区间有一个波峰数值，为便于计算引入该数值对应的温度为T3＝32.06℃；故得到步骤2、建立模型的传热控制方程组；先建立基本设定，设定地下建筑通风系统位于地表干燥且无阳光直射的土壤层，并对系统传热过程做出如下设定：
①
空气是不可压缩的，同一截面的气流速度及状态参数分布均匀，且忽略空气湿度的变化对换热性能的影响；
②
相变材料被等效为一种各向同性的均匀固体介质，其密度和比热在本方法所讨论的温度范围内保持不变，对相变材料的传热忽略其热对流的影响，仅考虑热传导；
③
土壤被认为是一种各向同性的均匀固体物质，其热物性参数是恒定的，由于轴向温度梯度小，沿着轴向的热传导忽略不计；
④
系统内部各物质之间接触良好，不考虑材料间的接触热阻；
⑤
埋地管道通常采用不透水管材且换热系统的长度有限，因此不考虑管内水分蒸发和冷凝的潜热换热过程，仅考虑系统中空气与相变材料的显热交换；
⑥
因为实际工程中与空气接触的管壁厚度较小，故将管材对系统造成的热影响忽略不计；再分别建立不同材料层的传热控制方程；(1)建立空气层传热控制方程：根据基本传热方程，描述一切流动与传热现象的质量守恒、动量守恒以及能量守恒的控制方程通用形式如式6所示，由4项组成：从左至右依次为非稳态项、对流项、扩散项和源项。根据式6推导出空气层传热控制方程式如下所示：式中：π——圆周率；r
a
——隧道等效半径，m；
ρ
a
——空气密度，kg/m3；C
pa
——空气比热容，J/(kg
·
℃)；T
a
——空气温度，℃；u——空气流动速度，m/s；S
p
‑
a
——相变层壁面对空气对流传热与传质的源项；在其中，S
p
‑
a
可由下式表示：式中：T
p
——紧邻空气通道的相变层温度，℃；h——空气壁面的对流换热系数，W/(m2·
℃)；对流换热系数h可由下式计算：式中：λ
a
——空气的导热系数，W/(m
·
℃)；D——空气隧道的当量直径，m；Re——雷诺准则数：式中，μ——空气的动力粘度，kg/(m
·
s)；(2)建立相变层传热控制方程：同样根据式6，根据基本设定中认定相变材料是一种各向同性的均匀固体介质，故在轴向流动过程中忽略控制方程中等式左边的对流项和等式右边的扩散项；获得相变层的基本传热传质方程是：式中：A——计算单元的底面积，
㎡
；ρ
p
——相变材料密度，kg/m3；C
p
——相变材料比热容，J/(kg
·
℃)；S——该单元相变材料受到其他相邻接触面物质的热交换源项；相变层能量控制的源项S根据传热情况可以分为三种情况，第一种情况是紧邻空气层的单元相变层，它的源项热量交换主要是流动空气对该相变层的对流热交换和相邻相变单元的热传导；第二种情况是相变层内部的单元相变层，它的热量交换主要考虑相邻两侧的相变材料相互间的热传导；第三种情况是紧邻土壤层的单元相变层，它的热量交换主要是和一侧的相变材料热传导和另一侧的土壤的导热传热；故将相变层的传热控制方程源项S分为以下三类：
式中：L——计算单元的周长，m；λ
r
——岩体导热系数，W/(m
·
℃)；λ
p
——相变材料导热系数，W/(m
·
℃)；T
p1
——紧邻空气侧相变材料层温度，℃；T
p2
——紧邻土壤侧相变材料温度，℃；(3)建立土壤层传热控制方程：土壤层的热量传导，根据上述设定把通风隧道的断面近似看作圆柱体，忽略土壤传热控制方程中的对流项和扩散项，在等式左边为土壤自身的非稳态项，等式右边为土壤与径向方向上相邻土壤的导热源项，故埋地管道内部围护结构土壤控制方程为：其中：r——土壤层的计算半径，m；α——土壤热扩散系数，m2/s；土壤热扩散系数计算式如下：α＝λ
r
/ρ
r
C
pr
ꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：任治立，肖益民，黎学勤，曾臻，俞柯丞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：