利用土层和雨水进行热交换的地铁车站节能技术

杨子晴,邓岳保,石林泽,邱小珊,徐 俊

(宁波大学建筑工程与环境学院,浙江 宁波 315211)

1 概 述

随着我国城市建设的发展,城市轨道交通进入了大规模建设时代,空调系统作为地铁车站的用电大户,用电量高达低压设备总用电量的60%以上。伴随着城轨的现代化建设,与之相匹配的中央空调设备也面临着更高的要求,需要一种更高效、更环保的空调系统形式。针对暖通空调系统,瑞士专家在1912年提出“地源热泵”的概念,即利用浅层常温土壤中的能量作为能源的先进的高效节能、无污染、低运行成本的既可供暖又可制冷的新型空调技术。该技术最先应用于建筑工程,近年来有学者提出了将其应用于地下工程的设想。

2009年,同济大学的夏才初[1]首次提出了适用于我国城市地区能源地下工程的概念,提出用地源热泵换热的能源地铁站。刘越[2]对地源热泵在地铁工程中的应用进行了设计。孙猛等[3]进行了地源热泵型地下连续墙内埋管换热器优化设计：根据地下连续墙内埋管换热器传热模型提出了地下连续墙内埋管换热器换热能力和出水温度的计算方法,提出了地下连续墙内埋管换热器的优化设计方法,并以上海自然博物馆地下连续墙内埋管为例进行了计算。杨勇等[4]进行了地下连续墙内热交换管引起的温度应力研究,通过对地下连续墙中埋设热交换管的情况建立了热力学模型,直观地得到地源热泵系统运营时温度场和温度应力的特点。刘思伦[5]针对地源热泵技术在夏热冬冷地区地铁车站中的应用进行研究,采用以冷却塔作为辅助散热装置的地埋管-冷却塔系统为夏季车站提供冷量。裴海涛等[6]提供了一种地铁车站地源热泵空调系统,包括地源热泵机组、地埋管换热器、储水箱、若干地铁车站空调末端和若干周边建筑空调末端。胡涛等[7]对地源热泵空调系统的能量进行分析,以测试房间安装的地源热泵空调系统为研究对象,对该实验系统进行能量的平衡与效率分析。茅靳丰等[8]提出了地源热泵在地下工程的应用研究与展望,分析了地源热泵在地下工程中的应用具有独特的优势,通过工程的对比得出地源热泵在地下工程应用的前景广阔,综合分析发现地源热泵在地下工程中应用的优势及紧迫性。

另外,在近些年,“逢雨必涝、雨后即旱”成为我国不少城市的通病。通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施,实现对雨水的吸纳和利用,实现城市良性水循环,即海绵城市建设,正在我国大范围开展。在这样的背景下,提出并介绍了一种适用于海绵城市的地铁车站新型节能系统。

2 技术介绍

在地铁车站内,由于列车、各种设备以及人流等散发的热量,将使得该封闭空间温度达到40℃。而根据以往研究发现,在10 m以下的地下,土层温度常年维持在16℃～20℃范围。另外,大自然的降水(通过市政雨水管道)温度也在20℃左右。由于温度差距较大,所以，该技术创造性的以场地土层和雨水为媒介,结合地埋管、冷却水箱和换热水墙等与地铁车站封闭空间进行热量交换,从而实现显著节省能源的目标,见图1、图2。

图1 地铁车站新型节能技术提出背景

图2 地铁车站新型节能技术总体示意图

本设计的核心点在于：利用场地土层和市政排水与地铁车站空间之间的温度差,结合地埋管、换热水箱和换热水墙对两者之间进行热量交换,从而实现显著节省能源的目标。更值得一提的是,换热水箱和换热水墙技术一方面可加快换热效率,另一方面还具有存储雨水和利用雨水的功能。

地铁车站地源热泵原理与普通热泵原理相同,其独特之处是利用自然界中的水、土壤等能汇集地下热能的能源进行供热。运用在地铁时：冬季,热泵机组从地铁站周围的地源(浅层水体或岩土体)中吸收热量,向地铁站内供暖；夏季,热泵机组从地铁站内吸收热量并转移释放到周围的地源中,替代现有的空调制冷太阳能等自然介质中存储的热源和热汇。

整个系统可以分为两部分：其一是地源热泵系统,分别是通风管、热泵机组、换热管(内置)；其二是雨水循环系统,分别是输入雨水、换热水箱(墙)、两次利用、排出雨水。其主要有两个关键部分：1)热交换管：传热介质通过竖直或水平换热器与岩土体进行热交换的低能交换系统,又称土壤热交换系统。采用U型聚乙烯换热管,增大换热面积,提高换热效率。具有抗老化、使用寿命长、可靠、抗腐蚀等优点,方便取材、利于施工,该装置埋于环境稳定的地下，不但能克服传统空调极易受天气影响的弊端,同时也能增强空调系统的稳定性。2)换热水墙：是将冷却水箱应用在地铁站的改进装置,在地下连续墙内侧构筑一道换热水墙,墙内布置换热管道,内部可以进行雨水的储存,见图3。构筑换热水墙的设置,既不影响地铁站结构稳定性,又扩大了原有冷却水箱的体积,增加换热管的数量和储水体积,也使后期地铁站地源热泵系统运营期的检测与维护更加方便。由于地铁站的特殊性,地铁站内部可以提供给冷却水箱安放的位置太少,达不到地源热泵的热源需求,而放在地铁站建筑主体底下又会影响到地铁站整体结构稳定性,所以，在地下连续墙内侧设置一道放置冷却水箱的墙体是相对来说较为安全和实用的方案,该方案便于施工。同时,由于地下连续墙面积较大,可以容纳足够多的冷却水箱进行热量交换,从而满足地源热泵节能的要求。

本文所提出的新型地源热泵系统,应用于利用地热供热制冷、拥有海绵城市储水系统的新型环保地铁站,主要针对国内部分建有地铁并对地铁站内有温度调节需求的城市。可以预见,在地铁大发展和海绵大城市建设的背景下,该新型地源热泵系统是一种高效节能、无污染、低运行成本的新型节能技术。将此系统应用于地铁之中,响应了国家节能减排的号召,打破传统的氟利昂制冷方式,一定程度上缓解臭氧层空洞等环境问题；同时，作为海绵城市的一部分,储存、利用雨水,一定程度上减少了地铁站用水对市政的负荷,对于海绵城市的建设起到推动作用。

图3 换热水墙

3 技术特点

3.1 热能交换方式的突破

传统的空调是直接与空气交换热量,由于天气情况的不确定性,在高温、暴雨的环境下,换热极其不稳定,能耗比普通状况高。而地源热泵的热能的交换方式是将换热管中的介质直接通过土壤进行热量交换。

3.2 雨水利用

雨水循环利用可以有效地利用该淡水资源,减少市政用水负荷,一定程度上缓解城市洪涝,进一步减少城市的水土流失。这次的研究课题主要针对江浙地区建有地铁并对地铁站内有温度调节需求的城市。

3.3 经济效益

由于地铁站处于地下恒温层,换热管道可以直接与恒温土壤相接触换热,降低施工难度和成本,而且地源热泵的管道铺设可以与地铁的特殊结构有机地结合起来优化施工方式便于后期维护。虽然地源热泵的初期投入成本高,但之后的运行成本和维修成本低于传统空调。

3.4 环保效益

通过计算,每年可以减少大约25%的电能,这意味着大量减少二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳等污染物的排放和氟利昂等有害物质消耗,减少对臭氧层的破坏,很大程度上减轻环境压力。

可以预见,在地铁大发展和海绵大城市建设的背景下,将高效节能、无污染、低运行成本的新型节能技术应用于地铁,响应国家节能减排的号召,未来会有很大的市场。

4 实施方法

以地铁地下2层车站施工为例,使用明挖法工作方式。首先进行围护结构施工,防止基坑坍塌。车站采用地下连续墙+混凝土支撑+钢支撑的支护形式。在四周竖直围护钻孔灌注桩,安置钢筋笼,浇灌水泥。强度达到要求后,开始挖坑。由于地铁2层车站一般深度为10～20 m,基坑开挖深度越深,土压力越大,仅靠钻孔灌注桩不足以支撑基坑不坍塌,基坑开挖不能一步到位。因此,在挖掘过程中,每挖几米,需要架设混凝土支撑或者钢支撑。在挖掘到基坑的最底下标高位置后,附属工程在挖掘的时候可同时进行。地热能交换系统的施工作为附属工程,将附属工程分为三个主要施工部分,分别为：安放地埋管换热器、冷却水箱和热泵机组。

地埋管热源热泵系统就是通过热泵原理,以地埋管的形式与土壤进行换热,达到节能的目的。安放地埋管换热器后,将集水箱深埋入土壤中。集水箱的数量通过地铁车站总的热负荷来确定。表1给出了一个热负荷计算的例子：通过计算人员负荷、车站照明及设备负荷、出入口渗透换热、屏蔽门负荷等得出总负荷为383.78 kW。

表1 地铁车站热量计算

在系统日常运行中,通过一份电能输出,将带出4～5份地表浅层的地热能,用于室内的制冷和制热。在施工完成后,地埋管换热器,冷却水箱及热泵机组通过管道相互连接, 集水箱中的换热入水管与

地源热泵系统中热泵机组中的蒸发器出水管相连,换热出水管与地源热泵系统热泵机组中的蒸发器入水管相连,入水管与雨水收集器相连,出水管与排污管道相连通向污水池。所收集的雨水在进入雨水存储系统之前,须经过一定的沉淀过滤处理,以去除雨水中的泥沙等杂质,净化后的雨水通过管道汇入地源热泵的水箱中,既能起到存储的作用又为交换管提供了冷源,同时将净化后的雨水用于地铁站内部的卫生供水,充分起到雨水的收集利用作用。

5 结 语

新型地铁节能技术使地源热泵的换热系统与储水、排水等调水性功能相结合,一方面加快地源热泵换热系统的能量交换效率；另一方面进行雨水回收利用,大大减少了建设排水管道和钢筋混凝土水池的工程量,而且雨水“净增成本”比较低,还能大幅减少水环境污染治理费用,降低城市内涝造成的巨额损失。同时,由于该系统设计是在不改变原始基本车站结构的基础上实施,因此,必须要考虑系统散热对周围场地的影响。

[1] 夏才初. 能源地下工程的概念、应用与前景展望[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 6(3): 419-424．

[2] 刘越. 地源热泵在地铁工程中的应用分析[D].长沙：中南大学, 2010．

[3] 孙猛,夏才初,张国柱. 地源热泵型地下连续墙内埋管换热器优化设计[J]. 同济大学学报:自然科学版,2013(3):443-448.

[4] 杨勇,夏才初,朱建龙. 隧道地源热泵热交换管换热引起的温度应力研究[J]. 中南大学学报:自然科学版,2014(11):3970-3976．

[5] 刘思伦. 地源热泵在夏热冬冷地区地铁车站中应用技术研究[D].武汉：武汉理工大学,2014.

[6] 裴海涛,翟晓强,王前进. 小型竖直埋管地源热泵空调系统实验研究[J]. 建筑科学,2013(2):66-69.

[7] 胡涛,朱家玲,张伟. 地源热泵空调系统的能量与分析[J]. 太阳能学报,2014(2):271-277．

[8] 茅靳丰,潘登,耿世彬,等. 地源热泵在地下工程的应用研究与展望[J]. 地下空间与工程学报,2015(增刊1):252-256．