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龙图腾网获悉重庆大学申请的专利一种地下建筑通风系统及其数值传热模型获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN116123646B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-04-24发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202211551538.2，技术领域涉及：F24F7/06；该发明授权一种地下建筑通风系统及其数值传热模型是由任治立;肖益民;黎学勤;曾臻;俞柯丞设计研发完成，并于2022-12-05向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种地下建筑通风系统及其数值传热模型在说明书摘要公布了：本发明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。

本发明授权一种地下建筑通风系统及其数值传热模型在权利要求书中公布了：1.一种地下建筑通风系统的数值传热模型的构建方法，所述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； 所述地下建筑为地铁车站，通风道入口为地铁车站新风亭； 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； 所述地下建筑通风系统的数值传热模型，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； 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： 式1 等效热容方程： 式2 式3 式中：——相变材料的等效热容，； ——相变材料的等效导热系数，； ——相变材料的相变潜热，； —相变材料融化前的比热容，； —相变材料融化后的比热容，； —相变材料融化起点温度，； —相变材料融化终点温度，； —相变材料融化前的导热系数，； —相变材料融化后的导热系数，； T—相变材料当前温度，； 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： 式4 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=28.16℃、=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=32.06℃； 故得到 式5； 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； 式6 根据式6推导出空气层传热控制方程式如下所示： 式7 式中：π——圆周率； ——隧道等效半径，； ——空气密度，； ——空气比热容，； ——空气温度，℃； ——空气流动速度，； ——相变层壁面对空气对流传热与传质的源项； 在其中，可由下式表示： 式8 式中： ——紧邻空气通道的相变层温度，℃； ——空气壁面的对流换热系数，； 对流换热系数h可由下式计算： 式9 式中： ——空气的导热系数，; D——空气隧道的当量直径，； ——雷诺准则数： 式10 式中，——空气的动力粘度，； 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11 式中： ——计算单元的底面积，㎡； ——相变材料密度，； ——相变材料比热容，； ——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12 式中： ——计算单元的周长，m； ——岩体导热系数，； ——相变材料导热系数，； 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： 式13 其中： ——土壤层的计算半径，m； ——土壤热扩散系数，m2s； 土壤热扩散系数计算式如下： 式14 式中： ——土壤密度，； ——土壤比热容，； 步骤3、将步骤2建立的各传热控制方程离散化； 首先，将系统的计算域进行二维网格划分； 在轴向上，系统的计算域被厚度为的薄片离散划分为Z个薄片计算单元，每个节点用下标1到z来表示计算域内各薄片计算单元的具体轴向位置； 在径向上，系统每个径向薄片被划分为三个大的控制单元： ①中心区域为半径的空气计算域控制单元； ②夹层区域为长度的相变计算域控制单元； ③外层区域为长度的岩体计算域控制单元； 在时间处理上，用表示时间离散单位，用上标n表示当前计算时刻，0为初始时刻，N为计算结束的时刻；当时间计算步长为一天时，n的单位为日，当计算时间步长为小时，n的单位为小时； 将系统模型划分为空气流动轴向方向共z层，从下至上为径向方向共j+4层，其中土壤层共j层；在径向方向上依次分布着空气、相变材料和土壤； 将整个空气部分沿着径向仅划为一层网格，网格长度用表示； 将整个相变材料沿着径向均匀划分为PCM1、PCM2、PCM3三层网格；其中第一层PCM1为相变材料外边界，紧邻空气层，PCM1层用于体现相变层和空气层之间的对流换热情况；第二层PCM2为相变层内部网格，被内外两层相变层包裹，PCM2层用于体现相变材料内部液相率转化情况；第三层PCM3为相变层内边界，紧邻土壤层，这一层用于体现相变材料和土壤热量传导情况；相变层网格总长，均匀划分成三等分，单位相变网格用表示，； 最后的土壤层网格，将紧邻PCM3的相变材料也即径向方向的第一层土壤层定义为SS层，后续的土壤层网格依次用S1至Sj-1来表达第二层土壤网格至土壤远边界网格；整个土壤层长度用表示，网格共划分j层，单元网格长度用来表示； 然后，对步骤2建立的传热控制方程进行离散化； 针对空气层传热控制方程的离散，非稳态项采用经典的一阶向后差分法进行离散，对时间采用全隐格式；空气层传热控制方程的对流项温度对长度的导数采用二阶迎风格式差分方法进行离散；相变层根据网格划分的情况对不同相变层建立其传热控制方程，并对三个方程做离散化处理；土壤壁面处热平衡方程中的非稳态项采用一阶向后差分法进行离散，将源项近似看作一维的单层平壁导热进行离散； 1进行空气层传热控制方程的离散： 式15 为了后续的计算方便，对式15进行合并分类，可以写成如下形式： 式16 式中： G——埋地管道通风质量流量，单位kgh； L a ——埋地管道通风截面周长，单位m； 在整个离散过程中，做以下的近似处理；对于空气层传热控制方程中的非稳态项，当n=1时，这一项应该为空气温度在0时刻的数值，在本方法中统一用环境空气温度代替；对于空气层传热控制方程中的对流项，当i=1时，在该处节点采用一阶向后差分手法，该处空气层传热控制方程离散形式如下： 式17 同理合并后，形式如下： 式18 2进行相变层传热控制方程离散： 先对模型相变层材料做出如下设定：本模型相变材料的密度确定为恒定值；本模型所选的定形相变材料统一封装，不受重力影响发生形变； 根据相变层传热控制方程，将式11、式12以三种不同热交换情况进行离散处理；其中式11方程的非稳态项中，比热容大小和导热系数取决于当前材料所处的温度区间，根据网格划分依次用Cp1、Cp2、Cp3和来表示不同相变层的比热容数值和导热系数，具体参数由相变材料自身性质确定；式中A代表当前计算单元的底面积，因为本模型几何形状为同心圆柱形，所以底面积各网格单元表达式也不一致，具体表示形式见式19-式24； 联立式11和式12，将相变材料根据现在的网格划分方式，分成三种不同的传热控制方程来准确描述其热交换情况，并做数学离散；结果如下： ①相变第一层PCM1层 传热控制方程： 式19 离散方程： 式20 ②相变第二层PCM2层 传热控制方程： 式21 离散方程： 式22 ③相变第三层PCM3层 传热控制方程： 式23 离散方程： 式24 式中： ——第i层相变计算单元的底面积，m2； ——第i层相变计算单元的周长，m； ——第i层相变材料比热容，； ——相变材料导热系数，； ——单层相变材料厚度，m； 3壁面处SS层传热控制方程的离散 同样根据传热控制方程守恒式6，土壤作为固体忽略传热控制方程中的流动项和扩散项，SS层传热控制方程由土壤自身的非稳态项和与之接触的边界热交换源项组成；与SS层土壤的热量交换主要是由P3的相变层和S1的土壤的导热所引起； 因此土壤SS层的传热控制方程如下： 式25 对上述传热控制方程式25的非稳态项采用一阶向后差分法进行离散，源项可以近似看作一维的单层平壁导热，差分离散结果如下： 式26 4土壤层传热控制方程的离散 对式13采用有限差分法进行离散可得 式27 式中引入Fo——傅立叶数，用来描述非稳态热传导及分子扩散的无因次量，表达式： 式28 步骤4、计算求解方法与模型建立 根据步骤3中的网格划分和离散方程结果，对系统的内部的传热问题进行分析计算，本模型采用逐时计算模型，计算求解过程主要按以下三个步骤进行； 第一步，初始化定义各类计算参数；计算参数包括埋地管道几何尺寸、空气、相变材料、土壤的热物性参数、进口流量和进口风速； 第二步，边界条件赋值及网格划分；边界条件包括系统入口处室外空气输入参数和土壤远边界条件的温度分布规律，入口处的空气输入参数根据项目所在地典型气象数据获得，土壤远边界温度分布情况根据项目所在地土壤的温度扰动深度来确定模型远边界范围和轴向温度分布情况，分别按时间顺序将入口处的室外空气输入参数和土壤远边界的温度分布情况整理成“边界输入文件”并入模型计算文件夹；然后对模型进行网格划分和验证，通过预运行确定时间步长可靠并验证； 第三步，进入数值计算；以径向每一横排为一个计算薄片，从系统空气入口处的第一个薄片位置处i=1开始，沿轴向逐次计算每个网格薄片内的空气、相变材料和土壤各温度参数与热流密度分量；空气通道尽头最后一个薄片计算结束后，进入到下一个时间步内，再次从空气通道入口处开始重新迭代上轮计算参数循环计算，当所有的时间步数计算完成后，程序计算结束； 计算每个薄片内部时，基本原则是利用空气层传热控制方程、相变材料相变层传热控制方程和土壤内部的热平衡方程建立线性方程组，对上述离散方程进行数学处理后，将线性方程组构建成便于计算的三对角矩阵，基本形式如式29所示； 式29 即可进一步获得系统在各层的线性方程组： 式30 上述式30的线性方程组即为所述地下建筑通风系统的数值传热模型。

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