265 利用地下空间通风对空气降温的数值模拟和分析

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1、利用地下空间通风对空气降温的数值模拟和分析NUMERICALSIMULATIONANDANALYSISOFAPPLYINGTHEUNDERGROUNDSPACEVENTILATIONFORAIRCOOLING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

2、；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℃

3、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

4、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

5、）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，ρ——为空气的密度，kg/m3C——为空气的比热容，J/(kg·℃)V——为地下空间的容积，m3G——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，℃α——为地下空间围护结构的表面换热系数，W/(

6、m2·℃)τ——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(τ)，上个时刻的Ts(x)，Ta调用通风时的模型，求解线性

7、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3.0W/(m·℃)，热扩散系数为12.5×10-7m2/s；该地下空间的内表面为400m

8、m厚的钢筋混凝土衬砌，其导热系数为1.5W/(m·℃)，热扩散系数为8.3×10-7m2/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