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土壤源热泵在地铁环控系统中的应用

点击:1734 日期:[ 2014-04-26 21:39:40 ]
                            土壤源热泵在地铁环控系统中的应用                                  刘越1,孔华彪1,廖胜明2     (1.铁道第三勘察设计院,天津300251;2.中南大学能源科学与工程学院,长沙410083)     摘要:地铁车站空调系统大多为夏季单季运行,冬季无需制热,这使得土壤源热泵系统在地铁工程中的应用受到限制。针对这一问题,提出了应用一套土壤源热泵系统夏季为地铁车站提供冷量,冬季为附近建筑提供热量的方案,并结合工程实例进行设计计算,得出某标准地下车站的冷负荷所能匹配供热面积的计算方法。借助TRNSYS软件模拟全年负荷,确定方案可行,为设计提供参考。     关键词:地铁;空调;土壤源热泵;逐时负荷     中图分类号:TU831文献标志码:A文章编号:1673-7237(2010)09-0028-04     0·引言     交通拥挤,行车速度减慢,已成为我国许多城市普遍存在的突出问题。地铁以其运量大、速度快、时间准、污染少、安全舒适、与城市道路无平面交叉等优势,日益成为改善城市交通状况的必然选择。地铁车站大多建在城市的繁华地段,在现有的地铁环控设计方案中所采用的冷却塔由于其占地面积大、噪声大、发热量高、对环境影响大等缺点,不适合在市中心、文化广场、政府职能部门、医院、学校附近等某些有特殊要求的地段使用。土壤源热泵系统在满足舒适性要求的基础上,以其环保、节能、高效、低噪声、无需冷却塔、对地上建筑影响较小等特点,备受地铁公司和环控设计者的关注。但由于地铁车站多为地下站,只需夏季制冷、过渡季通风,冬季无需供热,这种单季节运行的模式,给土壤源热泵的使用带来了很大的困难。本文针对以上问题,提出一种新的系统方案,采用土壤源热泵系统夏季给地铁车站制冷,冬季给一座地上建筑供热,使土壤源热泵系统得以应用于地铁环控。     1·系统原理     土壤源热泵的地埋管换热器和周围土壤组成一个蓄冷装置,他的工作原理是地埋管换热器在夏季制冷时,利用冬季储存在土壤中的冷量供冷,同时将热量传送给土壤储存以备冬季取热时用。冬季供热时,利用夏季储存的热量供暖,同时将冷量储存,以备夏用。因此,要保持土壤源热泵系统长期稳定运行,夏季向土壤的散热量和冬季从土壤中的取热量要保持一致,这样才不会因为长年的累积效应导致低温持续升高或降低,最终影响土壤源热泵的正常使用。     但地铁车站多为地下站,地下站由于内部温度基本不受地面温度影响,环控系统大多为夏季单季节运行,只需夏季向地铁站提供冷量,冬季只要换气通风,不需要向系统供热,这就严重违背了土壤源热泵的设计原则。这也是土壤源热泵系统尚未在地铁车站广泛应用的主要原因。在这种情况下,可以考虑采用一套土壤源热泵系统对应两套末端的系统方案(见图1),该土壤源热泵系统夏季工况开启阀1、阀2,关闭阀3、阀4,给地铁站制冷;冬季关闭阀1、阀2,开启阀3、阀4,向周边地上建筑供热,以此来解决地埋管换热器向土壤取热、散热平衡的问题。现以一标准站为例,对该系统方案进行计算分析、讨论其可行性。                   2·工程实例     本文选用天津地铁5号线一个标准站做为设计对象,车站为单柱双跨地下二层岛式车站,地下一层为站厅层,地下二层为站台层,采用站台设置屏蔽门的通风空调系统。车站总长度为220.4 m,标准段内净宽度为17.3 m,有效站台长度120 m;站厅层(下一层)公共区面积约1 220 m2,站台层(下二层)公共区面积约1 500 m2,车站总建筑面积为9 373 m2。车站按远期2038年高峰运营条件计算车站公共区空调负荷,远期上下车客流量合计为9 000人/h。逐时客流密度[1]见图2。                   该车站靠近城市中心广场,由于冷却塔占地面积大、噪声大,对城市景观也会产生不良影响,所以设置常规的水冷冷水机组加冷却塔的地铁空调系统有困难,采用空气源热泵也有同样的问题。如采用土壤源热泵将减少地铁工程对地面规划和建设的影响。     3·系统设计     3.1夏季负荷计算     地铁车站的冷负荷不同于地上建筑物,地上建筑物冷负荷受外界气温的影响较大,而采用屏蔽门系统的地铁车站冷负荷主要是由人体散热和设备散热等内部散热组成,几乎没有围护结构传热和日照负荷,所以冷负荷受气候及日照的影响较地上建筑小。地铁夏季设计日空调冷负荷由人员负荷、设备散热量、灯光、广告散热和新风负荷组成。其中设备散热量、灯光、广告散热量等固定不变,新风负荷受外界气温变化的影响,人员负荷与逐时客流变化有关。     车站空调负荷的计算是设计和研究的基础。工程设计一般均按照最大负荷计算,通过这种计算方法可得到车站公共区峰值冷负荷为740 kW,见表1。                   如考虑车站空调采用土壤源热泵系统,需进行逐时负荷的计算,目前还无统一的计算方法。因此本文参照相关设计资料和文献用TRNSYS软件建立地铁车站的负荷模型,将冷负荷分解成人员负荷、新风负荷和稳态负荷三个模块,对典型车站进行逐时负荷的模拟计算(见图3)。                    3.2设备选型     根据负荷计算选用,满液式地源热泵机组LS-BLGR-400S两台。设备参数见表2。                   3.3地埋管换热器设计     关于地埋管换热器的传热分析,迄今为止国际上没有完全公认的模型和规范。现有的地埋管换热模型大多采用纯导热模型,忽略了多孔介质中对流的影响。本文地埋管换热器的计算采用以热阻概念为基础的半经验性设计计算公式,主要根据冷、热负荷计算地埋管换热器所需的埋管长[2-3]。     (1)确定埋管的平面布置:土壤源热泵埋管形式主要分为水平埋管和垂直埋管2种。考虑到可利用的埋管面积以及换热能力,设计采用竖直埋管换热器。每个钻孔中设置一组U形管。各U形管之间采用并联连接。U形管采用高密度聚乙烯管PE100,内径为20.4 mm,外径为25 mm,密度为950 kg/m3,比热为2 300 J/(kg·K),热阻为0.44 W/(m·K)。     (2)设计过程的中间参数计算方法参见文献[4],参数值见表3。                   (3)计算埋管换热器钻孔长度。     机组供热工况最低进水温度为-1℃;供冷工况最高进水温度为37℃。根据选定的最高和最低进水温度和选用的热泵,可以确定热泵的制冷/制热量以及制冷/制热的性能系数COP。制冷工况:          式中:LC为制冷工况下钻孔长度,m;     CAP为热泵在设计工况下的额定出力(制冷或制热量),W;     COP为热泵的性能系数;     F为运行份额;     RP为管壁热阻,m·K/W;     RS为岩土热阻,m·K/W;     T∞为地下未受干扰时的平均温度;     T max为最高和最低进水温度。     按式(1)计算得地埋管长度35200m,钻孔200个,埋深88 m,每米孔深换热指标为42 W/m。     3.4冬季采暖负荷匹配     系统冬季采暖的末端形式选择低温热水地面辐射供暖(low temperature hot water floor radiant heat-ing),是以温度不高于60℃的热水为热媒,在埋置于地面以下填充层中的加热管内循环流动来加热整个地板,通过地面以辐射和对流的热传递方式向室内供热的一种供暖方式。民用建筑供水温度宜采用35~50℃,供、回水温差宜小于或等于10℃[6]。因为地板辐射供暖所需的热媒参数与土壤源热泵所提供的热媒参数基本一致,土壤源热泵的热水出水可直接输配到地板下的辐射供暖盘管,便于低品位热能的有效利用。     按热泵的性能参数计算,该系统可在冬季提供908 kW的热量。根据《地面辐射供暖技术规程》要求,计算所有地面辐射供暖系统的耗热量时,室内计算温度的取值应降低2℃,或取计算总耗热量的90%~95%。这样该系统可为设计热负荷1 000 kW的建筑供暖,对不同功能建筑的供热面积按采暖热指标法[7]可求得,如表4。     4·系统模拟     由于地埋管换热器中的循环水是与土壤进行换热,因此,每年峰值出水温度的变化幅度与周围土壤温度的变化息息相关,尤其是与钻孔周围热存储区内的土壤温度关系最为密切。如果把热存储区看作一个控制体,则进出控制体的热量如图4所示,热存储区土壤一年中内能变化Us可表示成:   Us=Qbore-(Qup+Qside+Qbelow)(2)     式中:Qbore为热存储区内土壤与位于热存储区内的地埋管换热器内流体的一年累计换热量,kW·h;     Qup为通过热存储区上边界(也就是地表面)与大气的一年累计换热量,kW·h;     Qside为通过热存储区地埋管边界与周围土壤的一年累计换热量,kW·h;     Qbelow为通过热存储区下边界与周围土壤的一年累计换热量,kW·h;     当热量为正值时说明热量流进热存储区,为负值时说明热量流出热存储区。                     并定义进出热存储区的热量比R如式(7)所示[8],从热力学的角度来看,进出热量比越接近于1,一年内热存储区内土壤的内能变化就越小,土壤年平均温度的变化程度也越小,最终使热存储区内土壤温度在一个新的平衡点上呈现以年为周期的周期性变化,也就是说土壤温度达到新的动态平衡。运用TRNSYS软件对系统30年的运行情况进行模拟计算,得到土壤源热泵系统的热存储区进出热量比随时间变化的关系曲线(如图5)。为了更清楚的表示,省略掉了系统运行前几年R值大于1.5的点。                   由图5可以看出,对于释吸热比大于1的土壤源热泵系统,由于系统运行的最初几年地埋管换热器向土壤的释热量引起了热存储区内土壤温度的明显升高,同时由于热存储区内土壤温度的升高也造成了其与周围土壤和大气的传热温差增加,因此,增加了热存储区的散热量,当土壤温度达到一定的温度后,热存储区的得热量与释热量基本达到平衡,此时每年的峰值出水温度也基本稳定。尽管系统运行若干年后地埋管换热器每年的累计释热量仍大于累计吸热量,但是由于热存储区内土壤向周围土壤和大气的散热能力的增加,使热存储区内土壤的散热量基本等于得热量,系统每年的运行情况也趋于稳定。     5·土壤源热泵在地铁工程中运用的优势     土壤源热泵系统在地铁工程中应用,解决了闹市区地铁车站冷却塔的设置问题,一定程度上减少了对地面景观的影响和噪声污染等,具有良好的社会效应;同时,土壤源热泵系统所带来的经济效益也相当可观:     (1)土壤温度全年波动较小,热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性,这种温度特性使土壤源热泵比传统的空调运行效率要高40%~60%;     (2)地下埋管无需除霜,节省空气源热泵融霜所消耗的能量;     (3)运行费用低。据美国环保署(EPA)估计,设计安装良好的土壤源热泵系统平均,可以节省30%~40%的空调运行费用。     6·结语     本文以天津地铁一个标准地下车站为设计对象,采用土壤源热泵供热、供冷双对象的系统模式,通过计算得出该标准地下车站设计配备的土壤源热泵系统所能供应的热量大约为1 000 kW,根据不同的建筑功能,最大能为22 000 m2的建筑提供集中热源。该方案可解决埋管区域冷、热负荷失衡的问题,使土壤源热泵在地铁工程中应用成为可能。     这个系统方案适用于冬季有集中供暖需要的地区,如我国广大的严寒地区和寒冷地区。而在我国的南方地区,冬季无需集中供暖,但可以考虑冬季为周边建筑提供生活热水以平衡土壤的取热、散热,使土壤源热泵在地铁工程中得以推广。 参考文献: [1]魏巧丽.地铁环控系统变风量技术研究[D].天津:天津大学,2005. [2]Bose J E,Parker J D,McQuiston F C.Design/Data manual for closed-loop ground-coupled heat pump systems[M].Atlanta:ASHRAE Inc1985. [3]Commercial/Institutional Ground-Source Heat Pump Engineering  Man-ual[M].Atlanta:ASHRAE Inc,1995. [4]马最良,吕悦.土壤源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006:152,136. [5]朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005. [6]JGJ 142-2004,地面辐射供暖技术规程[S]. [7]马最良,姚杨.民用建筑空调设计[M].北京:化学工业出版社,2003. [8]李大鹏.土壤源热泵埋管与土壤多年累积传热效应研究[D].长沙:中南大学,2009.作者简介:刘越(1984),女,硕士研究生,毕业于中南大学。
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