利用地温能的隧道能源技术经济对比分析

2018-07-30李玉成李孟琳

山西建筑 2018年18期

关键词：屏蔽门自动扶梯源热泵

李玉成李孟琳

(江苏华东地质建设集团有限公司，江苏南京 210007)

1 南京地温条件

能源地下工程是结合地下构建与换热系统耦合的一种新型地源热泵，其需满足两个应用条件：

1)气候条件：需要周围地层具有稳定的、合适的温度。

2)工程条件：地下结构埋深要足够，且与地层接触要充分。

根据“中国自然资源数据库”中的“气候资源数据库”，南京地区累年各月的平均地温(地下0.1 m深度处)，如表1所示。

表1 南京累年各月平均地温(0.1 m 深度处)

运用originPro8.0进行数值拟合并结合式(1)可得地温函数关系式：

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

(1)

据此得出南京市各月地温(0 m～10 m)曲线振幅分析(见表2)，并绘制南京地区不同深度处地温—时间曲线(见图1)。

由上知土壤深度的增加会导致地温的振幅迅速衰减。南京地区全年的地表平均温度为17.2 ℃，满足能源地下工程所需要的气候条件和工程条件，可以在地铁车站及隧道埋深内为热泵提供稳定热源。

2 地铁车站负荷计算

表2 南京市各月地温(0 m～10 m)曲线振幅分析

2.1 人员负荷

车站的逐时客流量是影响车站空调负荷的一个重要因素。站内乘客的总散热量和散湿量由客流量决定。这里采用远期客流预测计算。

(2)

其中，Qp为乘客产生的逐时负荷，W；np为车站客流，per/h；τρs为乘客在车站停留时间，min；qp为乘客散发全热，W/(h·per)。计算得乘客产生的逐时载荷为36.47 kW。

2.2 车站照明及设备负荷

地铁车站的照明及设备发热为稳态发热，计算与普通地面建筑相同。设备通常包括垂直电梯、自动售票设备、自动扶梯、机房设备和广告灯箱等。

车站外包总长178.26 m，标准段外包总宽22.3 m，开挖深度26 m。实际测量车站照明段长约130 m，故估计该站面积6 000 m2。可得该站的灯具照明发热量为70.2 kW。依经验公式取该站的广告照明产热量为48 kW。

自动扶梯的产热量根据表3取值，自动售票检票设备每月产热量依表4取值。

表3 自动扶梯在不同高度下的产热值

表4 自动售检票设备产热值月

垂直电梯的产热量取22 kW/台；站内共有5台自动扶梯，出站口有2台自动扶梯，自动扶梯的产热量为151.5 kW；站内共有6部自动售票机，其产热量为1.56 kW，无半自动售票机和检票机，有20部闸机，其产热量为7.2 kW。通信设备的散热量按6 kW计算。

综合以上各项，车站的照明及设备负荷为284.46 kW。

2.3 屏蔽门负荷

经屏蔽门进入地铁车站的热负荷分为三类:

1)由屏蔽门缝隙渗透风带来的负荷;

2)屏蔽门材料进行的热传导;

3)屏蔽门开启时的空气热湿交换。通过屏蔽门传热带来的负荷，是整个屏蔽门负荷的主要组成部分，一般当做一维稳态导热过程处理：

Q=KFΔt

(3)

其中，F为屏蔽门面积，m2；Δt为屏蔽门两边温度差，℃；K为屏蔽门的传热系数，W/(m2·K)。

屏蔽门相关参数见表5。

表5 屏蔽门相关参数

车站为岛式地铁站，屏蔽门呈对称分布。计算得屏蔽门的传热负荷约为5.36 kW。

2.4 逐时新风负荷

当采用闭式运行时，地铁车站公共区内所需要的新风量不小于12.6，且总的新风量不应小于系统总风量的10%。新风负荷可按式(4),式(5)计算：

(4)

(5)

其中，QXC,QXT分别为站厅、站台的新风负荷，kW；ρw为室外空气密度，1.18 kg/m3；LXC,LXT分别为站厅、站台的新风量，m3/h；hw,hC，hT分别为室外空气、站厅空气及站台空气焓值，kJ/kg。

计算得QXC=41.30 kW，QXT=66.08 kW。

2.5 出入口渗透换热

车站有三个出口，各个出入口需要考虑适当的渗透负荷外，一般按出入口通道截面，以200 W/m2计。

相对于地铁车站，因存在屏蔽门，活塞风引起的车站压力波动很小，且屏蔽门远离出入口，故可假定出入口的渗透风量为定值。

Q=cρGΔt

(6)

其中，Q为出入口渗透负荷，kW；G为渗透风量，这里选取为58.1; Δt为地铁内空气温度与外界温度的差值，取2 ℃；c为室外空气定压比热，这里取夏天的数据1.005 kJ/(kg·K)；ρ为室外空气密度，取1.165 kg/m3。

计算得出入口渗透换热负荷为136 kW。

2.6 地铁车站围护结构的热库效应负荷

地下建筑的围护结构采取严格保温措施，具有较大的储热、储冷潜力。不考虑热泵机组和输送系统的能耗对总能耗进行估算，公式见式(7)，式(8)。

Qc=F·qCmax·tC

(7)

Qc=F·qHmax·tH

(8)

其中，qHmax为建筑的峰值热负荷，kW；qCmax为建筑的峰值冷负荷，kW；τH为供暖总时间，s；τC为供冷总时间，s；F为同时使用系数，取0.85。

计算得夏季能耗7.08×105kW·h，冬季能耗是5.84×105kW·h。

3 地源热泵的经济性分析

取隧道围岩每平方米换热量为15 W；垂直地埋管每延米换热量为50 W，根据夏季负荷408.13 kW计算，知铺设双U型垂直地埋管须8 163 m；在隧道上铺设热交换管需要27 209 m2。已知隧道热交换管间距为50 cm，故铺设热交换管总长约54 416 m。

车站上部土层以粉土、粉土夹粉砂为主，而20 m以下为性质较好的粘土。以南京地区每米井深30 W，管间距4 m，打井深度为60 m，面积为4.5，打井费用按照100元/m，地下管材按照50元/m计算，每口井所需回填材料约为3 250 kg，回填材料200元/t，故铺设双U型垂直地埋管需钻孔136口，整体造价为131.29万元。在隧道内铺设PE管，按7元/m计算，人工按10元/m计算，造价约为19.05万元。

地铁站内部线路铺设较为复杂且弹性较大，这里仅考虑外部线路铺设费用，进行经济对比分析，见图2。