空气-土壤换热器对增设内部蓄热体的建筑进行夏季夜间通风的实验与数值模拟研究

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夜间通风作为降低建筑能耗的手段之一,有着广泛的应用前景。然而,如何提高夜间通风技术的实用性和适用性,仍有许多问题值得研究。地道风系统(Earth to Air Heat Exchanger,EAHE)是一种利用地热能的通风手段,它利用土壤地层温度冬季比室外空气温度高、夏季比室外空气温度低的特点,通过热压诱导或机械通风的方式将室外空气引入地道,与土壤层换热后送入房间,从而改善室内的热湿环境。基于建筑蓄热体在夜间通风中的重要性,并结合传统夜间通风方式在昼夜温差较小地区的适用性较差的问题,本文提出了一种将EAHE与建筑内部蓄热体相结合进行夜间通风的模式。首先,利用位于重庆市的全尺寸实验台,对夏季EAHE对增设内部蓄热体的建筑进行夏季夜间通风(Summer night ventilation for buildings with internal thermal mass using earth-to-air heat exchangers,EAHENV+ITM)对于建筑室内热环境的调控效果进行研究。通过对比利用EAHE进行夜间通风及传统夜间通风方式的建筑通风效果,以及建筑内部蓄热体的增设与否对两种夜间通风方式的降温效果的影响,研究了夏季EAHENV+ITM对室内空气的冷却能力,并引入温差比率(Temperature difference ratio,TDR)、累计日室内过热不舒适度(Integrated discomfort degree for indoor temperature,IDCT)以及节能潜力(Potential energy efficiency index,PEE)等指标来评价EAHENV+ITM模式的通风效果。研究得出以下结论:在进行夏季夜间通风的建筑中,增设内部蓄热体可以有效地提高室内的热舒适度和夜间通风的节能潜力。与传统夜间通风方式相比,增设了内部蓄热体的建筑中采用EAHE进行夜间通风可以增加蓄热体在夜间通风期间的蓄冷量,从而提高夜间通风对室内空气温度的冷却效果。然后,基于计算流体力学仿真软件(Computational Fluid Dynamics,CFD)Ansys Fluent平台,建立了EAHE对增设内部蓄热体的建筑进行夜间通风的数值计算模型,并介绍物理模型简化方法及数值计算设置方法。将数值模拟计算结果与实验结果相对比,验证了本文所提出的数值计算方法的准确性,也证明了CFD仿真工具在EAHE对增设内部蓄热体的建筑进行夏季夜间通风研究上的可行性。最后,利用本文所建立的数值模型,进行了EAHENV+ITM的影响因素研究。研究表明,采用这一模式进行夜间通风可以有效地降低全天室内空气温度、提高室内热舒适度,并且采用这一模式进行夜间通风与进行全天通风相比具有较高的PEE。影响EAHENV+ITM对室内空气温度冷却效果的主要因素是建筑内部蓄热体量,建筑内部蓄热体量越大,对室内空气温度的冷却效果越好,其PEE也越大,但当其体量增大到一定值时,对室内空气的降温效果的提升不再明显增加。而换气次数与通风时长对于降低室内空气温度的影响不明显,但减小换气次数有助于提高这一模式的PEE;随着运行天数的累积,这一模式的PEE会逐日降低,而减小夜间通风时长则可以减缓PEE逐日降低的速度。
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