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        利用地溫能的隧道能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

        2018-07-30 08:33:28李玉成李孟琳
        山西建筑 2018年18期

        李玉成 李孟琳

        (江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210007)

        1 南京地溫條件

        能源地下工程是結(jié)合地下構(gòu)建與換熱系統(tǒng)耦合的一種新型地源熱泵,其需滿足兩個(gè)應(yīng)用條件:

        1)氣候條件:需要周?chē)貙泳哂蟹€(wěn)定的、合適的溫度。

        2)工程條件:地下結(jié)構(gòu)埋深要足夠,且與地層接觸要充分。

        根據(jù)“中國(guó)自然資源數(shù)據(jù)庫(kù)”中的“氣候資源數(shù)據(jù)庫(kù)”,南京地區(qū)累年各月的平均地溫(地下0.1 m深度處),如表1所示。

        表1 南京累年各月平均地溫(0.1 m 深度處)

        運(yùn)用originPro8.0進(jìn)行數(shù)值擬合并結(jié)合式(1)可得地溫函數(shù)關(guān)系式:

        T(x,t)=17.07-13.53e-0.72xcos(0.52t-0.72x-0.72)

        (1)

        據(jù)此得出南京市各月地溫(0 m~10 m)曲線振幅分析(見(jiàn)表2),并繪制南京地區(qū)不同深度處地溫—時(shí)間曲線(見(jiàn)圖1)。

        由上知土壤深度的增加會(huì)導(dǎo)致地溫的振幅迅速衰減。南京地區(qū)全年的地表平均溫度為17.2 ℃,滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件,可以在地鐵車(chē)站及隧道埋深內(nèi)為熱泵提供穩(wěn)定熱源。

        2 地鐵車(chē)站負(fù)荷計(jì)算

        表2 南京市各月地溫(0 m~10 m)曲線振幅分析

        2.1 人員負(fù)荷

        車(chē)站的逐時(shí)客流量是影響車(chē)站空調(diào)負(fù)荷的一個(gè)重要因素。站內(nèi)乘客的總散熱量和散濕量由客流量決定。這里采用遠(yuǎn)期客流預(yù)測(cè)計(jì)算。

        (2)

        其中,Qp為乘客產(chǎn)生的逐時(shí)負(fù)荷,W;np為車(chē)站客流,per/h;τρs為乘客在車(chē)站停留時(shí)間,min;qp為乘客散發(fā)全熱,W/(h·per)。計(jì)算得乘客產(chǎn)生的逐時(shí)載荷為36.47 kW。

        2.2 車(chē)站照明及設(shè)備負(fù)荷

        地鐵車(chē)站的照明及設(shè)備發(fā)熱為穩(wěn)態(tài)發(fā)熱,計(jì)算與普通地面建筑相同。設(shè)備通常包括垂直電梯、自動(dòng)售票設(shè)備、自動(dòng)扶梯、機(jī)房設(shè)備和廣告燈箱等。

        車(chē)站外包總長(zhǎng)178.26 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.3 m,開(kāi)挖深度26 m。實(shí)際測(cè)量車(chē)站照明段長(zhǎng)約130 m,故估計(jì)該站面積6 000 m2。可得該站的燈具照明發(fā)熱量為70.2 kW。依經(jīng)驗(yàn)公式取該站的廣告照明產(chǎn)熱量為48 kW。

        自動(dòng)扶梯的產(chǎn)熱量根據(jù)表3取值,自動(dòng)售票檢票設(shè)備每月產(chǎn)熱量依表4取值。

        表3 自動(dòng)扶梯在不同高度下的產(chǎn)熱值

        表4 自動(dòng)售檢票設(shè)備產(chǎn)熱值 月

        垂直電梯的產(chǎn)熱量取22 kW/臺(tái);站內(nèi)共有5臺(tái)自動(dòng)扶梯,出站口有2臺(tái)自動(dòng)扶梯,自動(dòng)扶梯的產(chǎn)熱量為151.5 kW;站內(nèi)共有6部自動(dòng)售票機(jī),其產(chǎn)熱量為1.56 kW,無(wú)半自動(dòng)售票機(jī)和檢票機(jī),有20部閘機(jī),其產(chǎn)熱量為7.2 kW。通信設(shè)備的散熱量按6 kW計(jì)算。

        綜合以上各項(xiàng),車(chē)站的照明及設(shè)備負(fù)荷為284.46 kW。

        2.3 屏蔽門(mén)負(fù)荷

        經(jīng)屏蔽門(mén)進(jìn)入地鐵車(chē)站的熱負(fù)荷分為三類(lèi):

        1)由屏蔽門(mén)縫隙滲透風(fēng)帶來(lái)的負(fù)荷;

        2)屏蔽門(mén)材料進(jìn)行的熱傳導(dǎo);

        3)屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)的空氣熱濕交換。通過(guò)屏蔽門(mén)傳熱帶來(lái)的負(fù)荷,是整個(gè)屏蔽門(mén)負(fù)荷的主要組成部分,一般當(dāng)做一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程處理:

        Q=KFΔt

        (3)

        其中,F(xiàn)為屏蔽門(mén)面積,m2;Δt為屏蔽門(mén)兩邊溫度差,℃;K為屏蔽門(mén)的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

        屏蔽門(mén)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5。

        表5 屏蔽門(mén)相關(guān)參數(shù)

        車(chē)站為島式地鐵站,屏蔽門(mén)呈對(duì)稱分布。計(jì)算得屏蔽門(mén)的傳熱負(fù)荷約為5.36 kW。

        2.4 逐時(shí)新風(fēng)負(fù)荷

        當(dāng)采用閉式運(yùn)行時(shí),地鐵車(chē)站公共區(qū)內(nèi)所需要的新風(fēng)量不小于12.6,且總的新風(fēng)量不應(yīng)小于系統(tǒng)總風(fēng)量的10%。新風(fēng)負(fù)荷可按式(4),式(5)計(jì)算:

        (4)

        (5)

        其中,QXC,QXT分別為站廳、站臺(tái)的新風(fēng)負(fù)荷,kW;ρw為室外空氣密度,1.18 kg/m3;LXC,LXT分別為站廳、站臺(tái)的新風(fēng)量,m3/h;hw,hC,hT分別為室外空氣、站廳空氣及站臺(tái)空氣焓值,kJ/kg。

        計(jì)算得QXC=41.30 kW,QXT=66.08 kW。

        2.5 出入口滲透換熱

        車(chē)站有三個(gè)出口,各個(gè)出入口需要考慮適當(dāng)?shù)臐B透負(fù)荷外,一般按出入口通道截面,以200 W/m2計(jì)。

        相對(duì)于地鐵車(chē)站,因存在屏蔽門(mén),活塞風(fēng)引起的車(chē)站壓力波動(dòng)很小,且屏蔽門(mén)遠(yuǎn)離出入口,故可假定出入口的滲透風(fēng)量為定值。

        Q=cρGΔt

        (6)

        其中,Q為出入口滲透負(fù)荷,kW;G為滲透風(fēng)量,這里選取為58.1; Δt為地鐵內(nèi)空氣溫度與外界溫度的差值,取2 ℃;c為室外空氣定壓比熱,這里取夏天的數(shù)據(jù)1.005 kJ/(kg·K);ρ為室外空氣密度,取1.165 kg/m3。

        計(jì)算得出入口滲透換熱負(fù)荷為136 kW。

        2.6 地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱庫(kù)效應(yīng)負(fù)荷

        地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取嚴(yán)格保溫措施,具有較大的儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷潛力。不考慮熱泵機(jī)組和輸送系統(tǒng)的能耗對(duì)總能耗進(jìn)行估算,公式見(jiàn)式(7),式(8)。

        Qc=F·qCmax·tC

        (7)

        Qc=F·qHmax·tH

        (8)

        其中,qHmax為建筑的峰值熱負(fù)荷,kW;qCmax為建筑的峰值冷負(fù)荷,kW;τH為供暖總時(shí)間,s;τC為供冷總時(shí)間,s;F為同時(shí)使用系數(shù),取0.85。

        計(jì)算得夏季能耗7.08×105kW·h,冬季能耗是5.84×105kW·h。

        3 地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析

        取隧道圍巖每平方米換熱量為15 W;垂直地埋管每延米換熱量為50 W,根據(jù)夏季負(fù)荷408.13 kW計(jì)算,知鋪設(shè)雙U型垂直地埋管須8 163 m;在隧道上鋪設(shè)熱交換管需要27 209 m2。已知隧道熱交換管間距為50 cm,故鋪設(shè)熱交換管總長(zhǎng)約54 416 m。

        車(chē)站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主,而20 m以下為性質(zhì)較好的粘土。以南京地區(qū)每米井深30 W,管間距4 m,打井深度為60 m,面積為4.5,打井費(fèi)用按照100元/m,地下管材按照50元/m計(jì)算,每口井所需回填材料約為3 250 kg,回填材料200元/t,故鋪設(shè)雙U型垂直地埋管需鉆孔136口,整體造價(jià)為131.29萬(wàn)元。在隧道內(nèi)鋪設(shè)PE管,按7元/m計(jì)算,人工按10元/m計(jì)算,造價(jià)約為19.05萬(wàn)元。

        地鐵站內(nèi)部線路鋪設(shè)較為復(fù)雜且彈性較大,這里僅考慮外部線路鋪設(shè)費(fèi)用,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析,見(jiàn)圖2。

        由上知相對(duì)于能源熱泵技術(shù),采取中央空調(diào)調(diào)控技術(shù)前期投資較低,但其能效比小于能源熱泵系統(tǒng)。從圖2看出,在前十五年內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),但之后其費(fèi)用較能源熱泵顯著增長(zhǎng)。

        采取隧道內(nèi)PU管鋪設(shè)與采用垂直雙埋管相比,初始造價(jià)相差在38.79萬(wàn)元。但即便初始投資相差在幾十萬(wàn)元,隨著時(shí)間推移,考慮到銀行利率問(wèn)題,最終結(jié)果會(huì)較起始擴(kuò)大十倍以上,最終相差在423.64萬(wàn)元。

        4 結(jié)語(yǔ)

        南京地區(qū)地表處的平均溫度與累年恒定的地層溫度相當(dāng),地溫適宜,滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件,可以在地鐵車(chē)站及隧道埋深內(nèi)為熱泵提供穩(wěn)定熱源。

        中央空調(diào)調(diào)控技術(shù)相對(duì)于能源熱泵技術(shù),雖前期投資較低,但其能效比較低,長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用也相對(duì)較高。

        采取隧道內(nèi)鋪設(shè)熱交換管與采用垂直雙埋管相比,不僅節(jié)約用地,在成本上也有一定優(yōu)勢(shì)。

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