【摘 要】
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暖通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。在地铁建筑中,地铁环控系统能耗占地铁总能耗比重大,具有比较高的节能潜力。对于重庆市这类山地城市而言,地铁站埋深普遍较深,具有充足的地下土壤资源。因此,本文希望利用土壤-空气换热器EAHE（Earth to Air Heat Exchanger）技术来充分利用土壤地热能和室外空气昼夜温差这类可再生能源来降低地铁环控系统能
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暖通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。在地铁建筑中,地铁环控系统能耗占地铁总能耗比重大,具有比较高的节能潜力。对于重庆市这类山地城市而言,地铁站埋深普遍较深,具有充足的地下土壤资源。因此,本文希望利用土壤-空气换热器EAHE（Earth to Air Heat Exchanger）技术来充分利用土壤地热能和室外空气昼夜温差这类可再生能源来降低地铁环控系统能耗。但普通EAHE系统易造成浅层土壤的冷热堆积效应,对于这类能量利用与时间不匹配的问题,相变蓄热技术是很好的解决方案。基于此,本文提出将土壤-空气换热器与相变蓄热材料相结合的新型系统——集合相变储能的土壤空气换热器系统,EAHE-PCHS（Earth to Air Heat Exchanger with Integrated Phase Change Heat Storage）系统应用于地铁车站环控系统。本文选择课题组配制的定形复合相变材料作为EAHE-PCHS的相变蓄能体,它以癸酸-棕榈酸（97:3 wt%）二元复合材料为相变蓄热芯材、以芯材质量10%的膨胀石墨为基材制备获得。该复合材料主要针对重庆市夏季气象条件,相变温度区间为28.16～32.68℃,能在重庆市夏季气象条件下有较好的蓄放热特性,同时结构稳定、过冷度小、导热性能良好。为了分析EAHE-PCHS在工程中应用时的热性能,本文从传热理论模型出发,建立了EAHE-PCHS的数值计算模型,开发了一套EAHE-PCHS快速计算程序。计算模型将EAHE-PCHS沿空气流动方向分段,每一段通道内的空气视为整体,对模型的传热控制方程组（空气热平衡方程、相变材料能量方程和土壤能量方程）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追赶法求解过程,开发编写了EAHE-PCHS热性能的数值计算模型。最后利用课题组已完成的实验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。本文提出在地铁车站的埋地新风竖井中结合定型相变材料,构成用于地铁车站环控系统新风处理的EAHE-PCHS。当采用岩土材料代替EAHE-PCHS中的相变材料时,本文建立的EAHE-PCHS的数值计算模型即可用于无相变材料的EAHE系统的热性能分析,为便于区分,本文称之为EAHE-Normal系统。根据重庆市某地铁车站的实际情况,对比分析了EAHE-PCHS和EAHE-Normal新风系统在重庆地区典型气象年夏季气象条件下的热性能,讨论了EAHE-PCHS的节能潜力。研究结果显示,EAHE-PCHS和EAHE-Normal系统都对流经新风井道内的空气有降温作用,但EAHE-PCHS系统得益于定形相变材料这个大容量的储热体,传热总量更大,对室外温度波动的调节能力更强,传热效率更高,白天对新风有更好的降温效果。另外,EAHE-PCHS和EAHE-Normal系统在白天的制冷能力都要强于夜间的释热能力,在同一天,EAHE-PCHS在制冷总量、制冷能效比和释热总量方面都要高于EAHE-Normal系统。本文结合数值模拟实验和响应曲面分析法,讨论了“相变蓄能体总长度”、“相变材料径向厚度”、“空气通道内流速”等因素在独立作用和多因素耦合条件下对EAHE-PCHS系统热性能的影响,并以此为理论依据给出应用在地铁站新风系统中的EAHE-PCHS系统的工程设计建议:在地铁站长新风通道内,首先根据设计车站的工程要求确定通道内的风速,然后根据新风井道长度优先考虑相变蓄能体的长度对EAHE-PCHS系统性能的影响,最后通过调整相变材料厚度以达到设定的降温目标要求。
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