利用综合管廊排风的余热供冷系统性能分析

2024-04-03邰传民田贯三雷文君

煤气与热力 2024年2期

邰传民, 田贯三, 雷文君

(山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101)

1 概述

随着我国城镇化快速推进,城市地下空间开发利用进入快速增长阶段[1]。中国政府高度重视并积极推进城市地下综合管廊的建设。综合管廊属于相对封闭的地下空间,通风条件差[2]。为了保障综合管廊内市政管线的正常运行和运维人员的健康安全,需要对综合管廊进行通风,及时排除余热、余湿和有害气体[3-4]。因此,有必要设置合理的综合管廊通风系统[5]。

GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》第7.2.1条规定:综合管廊宜采用自然进风和机械排风相结合的通风方式。天然气管道舱和含有污水管道的舱室应采用机械进、排风的通风方式。此外,综合管廊通风系统应满足正常、巡检、高温报警与事故通风的切换要求[6]。正常通风时,通风系统间歇运行,同时满足卫生和节能要求[2]。巡检时,工作人员进入综合管廊前,提前0.5 h开启通风系统。高温报警时,综合管廊内空气温度超过40 ℃时开启通风系统[7]。事故通风时,当某防火区间发生火灾,该防火区间及其相邻防火区间的通风设备及防火阀关闭,为灭火提供窒息条件;火焰熄灭后,重新开启通风设备及防火阀,排除有毒烟气。

夏季,综合管廊内相对湿度基本在85%以上[8],接近饱和,管廊内管道及其他固体表面温度通常低于周围空气的露点,容易在这些表面结露,给水管道和通信电缆桥架表面的结露情况见图1。目前,潮湿已经成为管廊内管线安全运行的最大威胁之一[9]。综合管廊机械通风是一种有效的除湿手段[10],能够保障管廊内各类管线处于良好的运行环境[11]。但是由于管廊内除湿量大,导致通风能耗较高[12],缺乏经济性。

图1 综合管廊内的结露现象

针对上述问题,本文提出一种利用综合管廊排风的余热供冷系统,为附近环卫工人休息室及其他公共建筑供冷。对余热供冷系统的可行性、制冷性能进行分析。

2 综合管廊概况

济宁市某综合管廊全长约4.5 km,南北走向,敷设于道路中间绿化带下,平均覆土厚度约2.25 m,断面尺寸为2.5 m×2.5 m。综合管廊标准断面见图2,图2、5中标注的尺寸数值相应的单位为mm。管廊内实景见图3。综合管廊内敷设有DN 700 mm给水管道、DN 200 mm中水管道以及通信电缆。综合管廊按一定间距由防火墙、防火门分割为若干段独立的通风区间,1个通风区间长度约200 m,两端分别设置1个进风口、1个排风口。综合管廊采用自然进风和机械排风相结合的通风模式,每个排风口设置2台通风机,平时1用1备,事故时2台全开。通风机为耐高温消防排烟机,推荐工况风量为13 500 m3/h,转速960 min-1。综合管廊机械通风系统工作原理见图4。室外空气在通风机的驱动下由进风口进入综合管廊,通过通风区间后由排风口排出综合管廊,完成一次机械通风循环。

图2 综合管廊标准断面

图3 管廊内实景

图4 综合管廊通风系统工作原理

3 可行性分析

测试时间为2021年8月17日9:00—19:30,室外温度较高,具有代表性,测试时间间隔为5 min。选取综合管廊一个通风区间作为测试对象。室外设3个温度测点,水平间距为5.0 m,距地面高度均为1.5 m,第1室外温度测点(见图5)距进风口2.0 m,第2、3室外温度测点位于远离进风口方向。排风口设5个温度测点(见图5),均匀布置。分别取上述测点的平均温度作为测试值。

图5 第1室外温度测点、排风口温度测点布置

测试期间,最高室外空气温度为41.2 ℃,最低温度为26.7 ℃,平均温度为34.0 ℃。综合管廊进风温度与排风温度随时间的变化见图6。由图6可知,室外空气流经综合管廊通风区间后,排风温度有所降低。室外空气温度越高,排风温降越大。室外空气温度为41.2 ℃时,排风温度为25.6 ℃,温降高达15.6 ℃。15:00—15:30,排风温度出现异常波动现象,这主要是打开和关闭靠近排风口的人孔盖所致。打开人孔盖会导致部分室外空气直接从该位置进入综合管廊,造成排风温度升高。与进风相比,综合管廊排风中包含大量可利用的免费冷量。若将综合管廊低温排风代替室外空气作为风冷热泵机组的冷源,可有效提高机组制冷能效。因此,余热供冷系统可行。

图6 综合管廊进风温度与排风温度随时间的变化

4 余热供冷系统性能分析

4.1 余热供冷系统工作原理

余热供冷系统工作原理见图7。在排风机驱动下,室外空气通过进风口进入综合管廊通风区间,降温后的低温排风作为风冷热泵机组的冷源进入排风通道与冷凝器换热,排风吸热后温度升高并经排风口排出,实现通风及冷量回收。节流阀、蒸发器、压缩机设置在地面,制备的冷水供给用户使用。

图7 余热供冷系统工作原理

4.2 制冷性能分析

采用制冷性能系数对余热供冷系统与传统风冷热泵的制冷性能进行评价,相同运行工况下制冷性能系数越大,制冷效率越高,节能效果越好。影响风冷热泵机组制冷性能系数的参数较多,如冷水出水温度[13]、空气温度[14]、压缩机效率和热损失系数[15]等。为了简化分析,设定除空气温度外的其他参数均相同,即制冷系数仅由冷源温度决定。

某品牌风冷热泵机组,额定参数:制冷量60 kW、输入电功率20 kW、风量24 000 m3/h。余热供冷系统、传统风冷热泵均选用该品牌风冷热泵机组。余热供冷系统采用综合管廊排风作为冷源,传统风冷热泵采用室外空气作为冷源。

由实测结果可知,综合管廊排风、进风温度变化范围为23.0～42.0 ℃,因此重点分析制冷性能系数在空气温度23.0～42.0 ℃范围内的变化。设定冷水出水温度为7 ℃,其他参数按文献[14]设定,风冷热泵机组制冷性能系数在空气温度23.0～42.0 ℃范围内的变化见图8[14]。由图8可知,随着空气温度升高,风冷热泵机组制冷性能系数大幅下降。空气温度由23.0 ℃提高至42.0 ℃,风冷热泵机组制冷性能系数由3.86降为2.59。

图8 冷水出水温度为7 ℃时风冷热泵机组制冷性能系数在空气温度23.0～42.0 ℃范围内的变化[14]

结合图6、图8数据,得到测试时间余热供冷系统、传统风冷热泵制冷性能系数,见图9。由图9可知,与传统风冷热泵相比,余热供冷系统制冷性能系数更高,波动更小。设定相同时间传统风冷热泵与余热供冷系统制冷量相同,测试时间余热供冷系统节电率见图10。由图10可知,测试时间余热供冷系统最大节电率达11.9%,平均节电率约5.9%。