地鐵車(chē)站采用復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析

廖凱

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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地鐵車(chē)站采用復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析

廖凱

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要:我國(guó)大部分地區(qū)地鐵車(chē)站僅在夏季設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)供冷，冬季不供暖。在運(yùn)用土壤源熱泵系統(tǒng)時(shí)，會(huì)造成土壤熱積累，運(yùn)行效率逐年下降。冷卻塔復(fù)合式地源熱泵能夠在冬季將土壤夏季積累的熱量排出，保持土壤冷熱負(fù)荷相等，從而提高地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行能效。通過(guò)計(jì)算地鐵車(chē)站夏季空調(diào)負(fù)荷，對(duì)采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)能夠有效減少地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)能耗，達(dá)到節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞:地鐵;地源熱泵;冷卻塔;土壤蓄熱

1　概述

由于地源熱泵系統(tǒng)利用巖土體為冷、熱源，該類(lèi)冷熱源相比于空氣具有冬季溫度高，夏季溫度低的特點(diǎn)，因此地源熱泵機(jī)組相比于冷水機(jī)組、空氣源熱泵機(jī)組具有更高的COP值［1］，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目的。但是由于其利用土壤取熱、排熱，而土壤自身散熱能力較差，該系統(tǒng)應(yīng)用需滿(mǎn)足全年冷熱負(fù)荷平衡的設(shè)計(jì)原則。由于地鐵車(chē)站多為地下站，站內(nèi)溫度基本不受地面溫度影響，且土壤周?chē)鷾囟容^恒定，加之地鐵內(nèi)車(chē)輛設(shè)備散熱較多，冬季無(wú)需供冷便能保持車(chē)站內(nèi)較高的環(huán)境溫度;只有在東北地區(qū)，由于新風(fēng)引入，產(chǎn)生部分熱負(fù)荷，但一般也不需要進(jìn)行集中供暖［2］。因此，地鐵環(huán)控系統(tǒng)大多只需夏季向地鐵站提供冷量，冬季換氣通風(fēng)，不需要向系統(tǒng)供熱。因此違背了地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，為此使得地源熱泵系統(tǒng)尚未在地鐵車(chē)站廣泛應(yīng)用。為此，本文對(duì)地鐵空調(diào)系統(tǒng)采用冷卻塔與地源熱泵相結(jié)合的復(fù)合冷源系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力理論分析。

2　復(fù)合地源熱泵

地源熱泵具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如:土壤溫度全年波動(dòng)較小且數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，熱泵機(jī)組季節(jié)性能系數(shù)具有恒溫?zé)嵩礋岜玫奶匦裕沟玫卦礋岜帽葌鹘y(tǒng)的空調(diào)運(yùn)行效率高，節(jié)能效果明顯［3］;土壤具有良好的蓄熱性能，夏季放入土壤中的熱量可以在冬季自然補(bǔ)償;地埋管換熱器在地下放熱，減少了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地面空氣的熱污染。雖然地源熱泵具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是也存在諸多限制，例如:地埋管換熱器的換熱性能受土壤影響較大，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，熱泵的冷凝溫度受土壤溫度升高影響，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效率降低［4］;由于地埋管換熱器的換熱性能受土壤的熱物性參數(shù)影響較大，當(dāng)土壤熱導(dǎo)率小，換熱量較大時(shí)，需要地埋管換熱器的占地面積較大。地源熱泵上述限制條件使得該系統(tǒng)在地鐵車(chē)站中的應(yīng)用受到限制。

為克服上述缺點(diǎn)，采用地源熱泵提高地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率，復(fù)合式地源熱泵應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于地鐵車(chē)站這種只需夏季供冷的建筑，可利用土壤在冬季儲(chǔ)存冷量，夏季提高地源熱泵運(yùn)行效率。其原理如圖1所示，冬季時(shí)，熱泵機(jī)組不運(yùn)行，只開(kāi)啟冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵以及截止閥2和4，向環(huán)境中釋放夏季存儲(chǔ)的熱量，進(jìn)一步降低地埋管周邊土壤溫度，實(shí)現(xiàn)土壤蓄冷。夏季運(yùn)行時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，可以開(kāi)啟閥1和3，用冷卻塔排熱;環(huán)境溫度高于土壤溫度時(shí)，開(kāi)啟閥1、4、5，采用地埋管換熱器向土壤釋放熱量。

圖1　冷卻塔復(fù)合地源熱泵

3　地鐵車(chē)站夏季冷負(fù)荷分析

由于地鐵車(chē)站是地下建筑，除了出入口和通風(fēng)口與大氣聯(lián)通外，基本可認(rèn)為地鐵是一個(gè)密閉環(huán)境。然而地鐵運(yùn)行時(shí)消耗大量的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?其周?chē)寥劳ㄟ^(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透水以及乘客散發(fā)的熱、濕量，都會(huì)成為地鐵車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷［5］。此外，為保證車(chē)站內(nèi)人員新風(fēng)量，必須補(bǔ)充足夠的新鮮空氣，因此產(chǎn)生了新風(fēng)負(fù)荷［6］。綜上可知，地鐵車(chē)站的空調(diào)負(fù)荷主要由以下幾部分構(gòu)成。

(1)人員負(fù)荷:指站內(nèi)乘客的全熱散熱量，主要受逐時(shí)客流量的影響，一般設(shè)計(jì)按遠(yuǎn)期客流預(yù)測(cè)計(jì)算

式中，Qp為乘客產(chǎn)生的逐時(shí)負(fù)荷，W; np為車(chē)站客流，per/h;τp為乘客在車(chē)站停留時(shí)間，min; qp為乘客散發(fā)全熱，W/hper，通常取163.8 W/hper。

(2)照明及設(shè)備負(fù)荷:一般包括自動(dòng)扶梯、垂直電梯產(chǎn)熱，自動(dòng)售檢票設(shè)備、廣告燈箱、指示牌產(chǎn)熱，機(jī)房設(shè)備產(chǎn)熱等。照明燈具與廣告照明一般分別設(shè)計(jì)為:13 W/m2，2×24 kW/站，需要系數(shù)分別為0.9和1.0;垂直電梯的產(chǎn)熱量通常為22 kW/臺(tái)，在站廳與站臺(tái)的產(chǎn)熱量通常按照1∶1分配。自動(dòng)扶梯產(chǎn)熱量根據(jù)提升高度不同，產(chǎn)熱量從7.5～18.5 kW不等;自動(dòng)售檢票設(shè)備產(chǎn)熱量單臺(tái)產(chǎn)熱量在250～400 W之間，不同車(chē)站依據(jù)設(shè)備數(shù)量進(jìn)行計(jì)算;通信設(shè)備散熱量通常按照每站6 kW計(jì)算［7］。

(3)滲透換熱負(fù)荷:與地面聯(lián)通的出入口，在地面風(fēng)環(huán)境及車(chē)站內(nèi)車(chē)輛運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)影響下，會(huì)形成滲透風(fēng)，從而在出入口產(chǎn)生滲透換熱負(fù)荷。出入口通道截面，通常以200 W/m2計(jì)算，當(dāng)其通道較長(zhǎng)時(shí)，也需要按其面積考慮適當(dāng)修正［8］。

(4)屏蔽門(mén)負(fù)荷:主要是由屏蔽門(mén)傳熱、屏蔽門(mén)關(guān)閉時(shí)的滲透負(fù)荷以及屏蔽門(mén)開(kāi)啟時(shí)，車(chē)站與隧道內(nèi)的對(duì)流換熱構(gòu)成［9］。屏蔽門(mén)傳熱負(fù)荷可通過(guò)式(2)計(jì)算得到

式中，F(xiàn)為屏蔽門(mén)與隧道或站臺(tái)的接觸面積，m2; T1為隧道內(nèi)空氣溫度，℃; T2為站臺(tái)內(nèi)空氣溫度，℃; a1為站臺(tái)內(nèi)空氣和屏蔽門(mén)站臺(tái)側(cè)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2; a2為隧道內(nèi)空氣和屏蔽門(mén)隧道側(cè)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2;λ為屏蔽門(mén)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m;δ為屏蔽門(mén)厚度，m。

(5)漏風(fēng)負(fù)荷:屏蔽門(mén)縫隙漏風(fēng)量，導(dǎo)致了漏風(fēng)負(fù)荷的產(chǎn)生。而屏蔽門(mén)打開(kāi)時(shí)，受活塞風(fēng)影響，隧道內(nèi)的熱空氣會(huì)從列車(chē)尾部的屏蔽門(mén)進(jìn)入站臺(tái)，站臺(tái)內(nèi)的冷空氣從車(chē)頭處的屏蔽門(mén)進(jìn)入隧道內(nèi)［10］，此部分漏風(fēng)負(fù)荷可采用式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算［11］

式中，S0為屏蔽門(mén)所在支路的阻抗; SCK為屏車(chē)站出入口的阻抗; Sstair為站廳通往站臺(tái)樓梯口阻抗，SPSD為屏蔽門(mén)阻抗，單位均為kg/m7。

式中，G為列車(chē)停站時(shí)軌道排熱風(fēng)量，m3/s; G0為單列列車(chē)停站時(shí)屏蔽門(mén)的漏風(fēng)量，m3/s; Si為活塞風(fēng)道所的阻抗，kg/m7。

(6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱庫(kù)效應(yīng)負(fù)荷:由于地鐵車(chē)站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)被其周?chē)耐寥阑驇r體包圍，產(chǎn)生傳熱造成了熱庫(kù)效應(yīng)負(fù)荷。通常土壤溫度按恒溫計(jì)算，即把維護(hù)結(jié)構(gòu)壁面?zhèn)鳠峤茷橐坏葴剡^(guò)程計(jì)算。一般對(duì)于有屏蔽門(mén)的地鐵車(chē)站，該部分負(fù)荷可以忽略不計(jì)［6］。

(7)新風(fēng)負(fù)荷:通過(guò)對(duì)乘客所需新風(fēng)量和屏蔽門(mén)漏風(fēng)所帶來(lái)新風(fēng)負(fù)荷進(jìn)行比較，來(lái)確定系統(tǒng)新風(fēng)負(fù)荷。采用空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，地鐵車(chē)站公共區(qū)內(nèi)乘客所需要的新風(fēng)量不小于12.6 m3/h·人。通過(guò)比較，屏蔽門(mén)漏風(fēng)量大于乘客所需新風(fēng)量，且大于系統(tǒng)總風(fēng)量的10%。因此確定了系統(tǒng)的新風(fēng)量為屏蔽門(mén)漏風(fēng)所帶來(lái)的新風(fēng)負(fù)荷，可按照式(5)計(jì)算［11］

式中，Qxf為新風(fēng)負(fù)荷，kJ; n為該時(shí)段內(nèi)發(fā)車(chē)對(duì)數(shù); cp為空氣比熱，kJ/(kg·K) ;ρ為空氣密度，取為1.2 kg/m3; G為每過(guò)一趟列車(chē)站臺(tái)通過(guò)屏蔽門(mén)進(jìn)入隧道的漏風(fēng)，m3/s; Tout為該時(shí)段內(nèi)室外的平均溫度，Ta為站臺(tái)空調(diào)的設(shè)定溫度，℃。

依據(jù)上述分析，計(jì)算成都地鐵3個(gè)典型車(chē)站新風(fēng)負(fù)荷及設(shè)計(jì)負(fù)荷，如表1所示。

表1　車(chē)站設(shè)計(jì)負(fù)荷

4　復(fù)合地源熱泵運(yùn)行能耗分析

以成都地鐵3個(gè)車(chē)站為例，基于表1數(shù)據(jù)，計(jì)算不同車(chē)站一個(gè)夏季地源熱泵運(yùn)行造成土壤的累計(jì)熱量式(6)

該式基于如下假設(shè)條件:不考慮新風(fēng)焓值隨時(shí)間的變化;不考慮土壤熱積累造成熱泵機(jī)組運(yùn)行COP下降的問(wèn)題;忽略輸配系統(tǒng)散熱造成的排熱量。地鐵環(huán)控系統(tǒng)按照每天運(yùn)行18 h，則整個(gè)空調(diào)季累計(jì)冷負(fù)荷可按式(7)計(jì)算

式中，Qsum為夏季累計(jì)冷負(fù)荷，MJ; Qsumt為夏季土壤累計(jì)冷負(fù)荷，MJ; COP為熱泵機(jī)組運(yùn)行平均值，地源熱泵機(jī)組全年累計(jì)運(yùn)行效率取5.9; D為夏季工況運(yùn)行時(shí)間，夏季運(yùn)行工況為5月至10月共183 d。

經(jīng)計(jì)算得青羊?qū)m站、中醫(yī)大省醫(yī)院站、沙灣站3個(gè)車(chē)站全年土壤累計(jì)熱量及全年累計(jì)冷負(fù)荷如表2所示。

表2　車(chē)站累計(jì)冷負(fù)荷及土壤累計(jì)熱量

為說(shuō)明地鐵車(chē)站采用地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力，以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案電制冷冷水機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，按照國(guó)標(biāo)《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》推薦全年冷水機(jī)組累計(jì)運(yùn)行效率4.5［12］，采用式(8)～式(10)對(duì)兩種系統(tǒng)全年累計(jì)運(yùn)行耗電量進(jìn)行計(jì)算。

式中，NCP為冷卻水泵及冷卻塔能耗; WTFcw為冷卻水輸送系數(shù)，按照全年累計(jì)工況取25［12］; Nc為冷水機(jī)組能耗; Nchiller為冷水系統(tǒng)能耗。

冷卻塔復(fù)合地源熱泵夏季向土壤中排熱，而冬季需將土壤中夏季累計(jì)的熱量排入冷空氣中，因此冬季也需運(yùn)行冷卻水系統(tǒng)，從而產(chǎn)生冷卻水系統(tǒng)能耗。該部分能耗受冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)影響，與室外濕球溫度相關(guān)。成都夏季空調(diào)設(shè)計(jì)濕球溫度26.4℃，而冬季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度1.2℃，相對(duì)濕度84%［13］，可得其濕球溫度約為0.5℃;夏季冷卻水運(yùn)行溫差一般為5℃，而冬季運(yùn)行時(shí)，由于室外濕球溫度(0.5℃)較低，因此冷卻水運(yùn)行溫差接近15℃，較大的換熱溫差使得冷卻水運(yùn)行能耗減少。按照冷卻塔冬夏季換熱溫差，以式(11)估算冬季冷卻水系統(tǒng)冷卻水輸送系數(shù)WTFcww，得冷卻水輸送系數(shù)約為75。由此計(jì)算冬季冷卻水運(yùn)行能耗Ncpw，繼而可得復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗NHGSHP

式中，Ncpw為冬季冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗; WTFCWW為冷卻水冬季運(yùn)行輸送系數(shù);ΔTcw為冷卻水夏季運(yùn)行溫差;ΔTcww為冷卻水冬季運(yùn)行溫差。經(jīng)計(jì)算成都地鐵3個(gè)典型車(chē)站的冬季運(yùn)行能耗見(jiàn)表3。

表3　3個(gè)典型車(chē)站的冬季運(yùn)行能耗

采用式(8)～式(13)計(jì)算得到成都地鐵3個(gè)典型車(chē)站采用傳統(tǒng)冷水機(jī)組運(yùn)行方案以及復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方案的全年運(yùn)行能耗，如表4所示。

表4　3個(gè)典型車(chē)站的全年運(yùn)行能耗

經(jīng)上述分析可知，采用復(fù)合地源熱泵方案，冷負(fù)荷越大的車(chē)站其節(jié)能量越高。3個(gè)車(chē)站節(jié)能率約為14%，通過(guò)公式分析可知，節(jié)能率與地源熱泵機(jī)組COP以及冷卻水輸送系數(shù)WTFCW密切相關(guān)。提高機(jī)組COP及冷卻水輸送系數(shù)WTFCW，能夠有效增加節(jié)能率。

實(shí)際運(yùn)行中，由于夏季室外濕球溫度較低時(shí)，可采用冷卻塔排熱的運(yùn)行方案;同時(shí)由于土壤具有自恢復(fù)能力，冬季排熱量會(huì)小于夏季累計(jì)熱量，從而減少冬季冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗Ncpw，使得復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行能耗更低。由此可見(jiàn)，冷卻塔復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在成都地鐵具有較高的節(jié)能潛力。另外，隨著冬季濕球溫度的降低，以及土壤溫度的降低，該系統(tǒng)的運(yùn)行能效將進(jìn)一步提升，因此可知，該系統(tǒng)應(yīng)用在我國(guó)北方地區(qū)將具有更高的節(jié)能潛力。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，成都地鐵車(chē)站采用冷卻塔復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的冷源方案具有一定的節(jié)能潛力。夏季運(yùn)行時(shí)，采用合理的運(yùn)行方案，降低土壤累計(jì)熱量，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。此外，該系統(tǒng)應(yīng)用在濕球溫度及土壤溫度更低的我國(guó)北方地區(qū)，將具有更高的節(jié)能潛力。

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Energy-saving Potential Analysis of Hybrid GSHP Applied in Subway Station

LIAO Kai
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:Most subway stations in China are provided with cooling in summer and there is no need for heating in winter.The application of ground source heat pump (GSHP) system causes heat accumulation in soil and GSHP efficiency is declined year after year.In winter，the hybrid GSHP with cooling tower can discharge the accumulated heat in soil in summer，keeping equivalence of cooling load and heating load，and improving the efficiency of the air conditioning system in summer.Energy saving potential of hybrid GSHP system in subway is analyzed based on the calculation of subway station cooling load.The results show that hybrid GSHP system can effectively reduce energy consumption of air conditioning in subway station for more energy saving.

Key words:Subway; GSHP; Cooling tower; Heat accumulation in soil

作者簡(jiǎn)介:廖凱(1978—)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)供熱通風(fēng)與空調(diào)工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:307740615@ qq.com。

收稿日期:2015-06-19;修回日期:2015-08-26

文章編號(hào):1004-2954(2016) 03-0152-03

中圖分類(lèi)號(hào):U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.031