利用土層和雨水進(jìn)行熱交換的地鐵車站節(jié)能技術(shù)

楊子晴,鄧岳保,石林澤,邱小珊,徐 俊

(寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院,浙江 寧波 315211)

1 概 述

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展,城市軌道交通進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)時(shí)代,空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵車站的用電大戶,用電量高達(dá)低壓設(shè)備總用電量的60%以上。伴隨著城軌的現(xiàn)代化建設(shè),與之相匹配的中央空調(diào)設(shè)備也面臨著更高的要求,需要一種更高效、更環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)形式。針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng),瑞士專家在1912年提出“地源熱泵”的概念,即利用淺層常溫土壤中的能量作為能源的先進(jìn)的高效節(jié)能、無(wú)污染、低運(yùn)行成本的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)技術(shù)。該技術(shù)最先應(yīng)用于建筑工程,近年來(lái)有學(xué)者提出了將其應(yīng)用于地下工程的設(shè)想。

2009年,同濟(jì)大學(xué)的夏才初[1]首次提出了適用于我國(guó)城市地區(qū)能源地下工程的概念,提出用地源熱泵換熱的能源地鐵站。劉越[2]對(duì)地源熱泵在地鐵工程中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)。孫猛等[3]進(jìn)行了地源熱泵型地下連續(xù)墻內(nèi)埋管換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)：根據(jù)地下連續(xù)墻內(nèi)埋管換熱器傳熱模型提出了地下連續(xù)墻內(nèi)埋管換熱器換熱能力和出水溫度的計(jì)算方法,提出了地下連續(xù)墻內(nèi)埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并以上海自然博物館地下連續(xù)墻內(nèi)埋管為例進(jìn)行了計(jì)算。楊勇等[4]進(jìn)行了地下連續(xù)墻內(nèi)熱交換管引起的溫度應(yīng)力研究,通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻中埋設(shè)熱交換管的情況建立了熱力學(xué)模型,直觀地得到地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的特點(diǎn)。劉思倫[5]針對(duì)地源熱泵技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站中的應(yīng)用進(jìn)行研究,采用以冷卻塔作為輔助散熱裝置的地埋管-冷卻塔系統(tǒng)為夏季車站提供冷量。裴海濤等[6]提供了一種地鐵車站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),包括地源熱泵機(jī)組、地埋管換熱器、儲(chǔ)水箱、若干地鐵車站空調(diào)末端和若干周邊建筑空調(diào)末端。胡濤等[7]對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能量進(jìn)行分析,以測(cè)試房間安裝的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行能量的平衡與效率分析。茅靳豐等[8]提出了地源熱泵在地下工程的應(yīng)用研究與展望,分析了地源熱泵在地下工程中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),通過(guò)工程的對(duì)比得出地源熱泵在地下工程應(yīng)用的前景廣闊,綜合分析發(fā)現(xiàn)地源熱泵在地下工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及緊迫性。

另外,在近些年,“逢雨必澇、雨后即旱”成為我國(guó)不少城市的通病。通過(guò)“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施,實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的吸納和利用,實(shí)現(xiàn)城市良性水循環(huán),即海綿城市建設(shè),正在我國(guó)大范圍開展。在這樣的背景下,提出并介紹了一種適用于海綿城市的地鐵車站新型節(jié)能系統(tǒng)。

2 技術(shù)介紹

在地鐵車站內(nèi),由于列車、各種設(shè)備以及人流等散發(fā)的熱量,將使得該封閉空間溫度達(dá)到40℃。而根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn),在10 m以下的地下,土層溫度常年維持在16℃～20℃范圍。另外,大自然的降水(通過(guò)市政雨水管道)溫度也在20℃左右。由于溫度差距較大,所以，該技術(shù)創(chuàng)造性的以場(chǎng)地土層和雨水為媒介,結(jié)合地埋管、冷卻水箱和換熱水墻等與地鐵車站封閉空間進(jìn)行熱量交換,從而實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)省能源的目標(biāo),見圖1、圖2。

圖1 地鐵車站新型節(jié)能技術(shù)提出背景

圖2 地鐵車站新型節(jié)能技術(shù)總體示意圖

本設(shè)計(jì)的核心點(diǎn)在于：利用場(chǎng)地土層和市政排水與地鐵車站空間之間的溫度差,結(jié)合地埋管、換熱水箱和換熱水墻對(duì)兩者之間進(jìn)行熱量交換,從而實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)省能源的目標(biāo)。更值得一提的是,換熱水箱和換熱水墻技術(shù)一方面可加快換熱效率,另一方面還具有存儲(chǔ)雨水和利用雨水的功能。

地鐵車站地源熱泵原理與普通熱泵原理相同,其獨(dú)特之處是利用自然界中的水、土壤等能匯集地下熱能的能源進(jìn)行供熱。運(yùn)用在地鐵時(shí)：冬季,熱泵機(jī)組從地鐵站周圍的地源(淺層水體或巖土體)中吸收熱量,向地鐵站內(nèi)供暖；夏季,熱泵機(jī)組從地鐵站內(nèi)吸收熱量并轉(zhuǎn)移釋放到周圍的地源中,替代現(xiàn)有的空調(diào)制冷太陽(yáng)能等自然介質(zhì)中存儲(chǔ)的熱源和熱匯。

整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩部分：其一是地源熱泵系統(tǒng),分別是通風(fēng)管、熱泵機(jī)組、換熱管(內(nèi)置)；其二是雨水循環(huán)系統(tǒng),分別是輸入雨水、換熱水箱(墻)、兩次利用、排出雨水。其主要有兩個(gè)關(guān)鍵部分：1)熱交換管：傳熱介質(zhì)通過(guò)豎直或水平換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換的低能交換系統(tǒng),又稱土壤熱交換系統(tǒng)。采用U型聚乙烯換熱管,增大換熱面積,提高換熱效率。具有抗老化、使用壽命長(zhǎng)、可靠、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),方便取材、利于施工,該裝置埋于環(huán)境穩(wěn)定的地下，不但能克服傳統(tǒng)空調(diào)極易受天氣影響的弊端,同時(shí)也能增強(qiáng)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2)換熱水墻：是將冷卻水箱應(yīng)用在地鐵站的改進(jìn)裝置,在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)構(gòu)筑一道換熱水墻,墻內(nèi)布置換熱管道,內(nèi)部可以進(jìn)行雨水的儲(chǔ)存,見圖3。構(gòu)筑換熱水墻的設(shè)置,既不影響地鐵站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,又?jǐn)U大了原有冷卻水箱的體積,增加換熱管的數(shù)量和儲(chǔ)水體積,也使后期地鐵站地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期的檢測(cè)與維護(hù)更加方便。由于地鐵站的特殊性,地鐵站內(nèi)部可以提供給冷卻水箱安放的位置太少,達(dá)不到地源熱泵的熱源需求,而放在地鐵站建筑主體底下又會(huì)影響到地鐵站整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,所以，在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)設(shè)置一道放置冷卻水箱的墻體是相對(duì)來(lái)說(shuō)較為安全和實(shí)用的方案,該方案便于施工。同時(shí),由于地下連續(xù)墻面積較大,可以容納足夠多的冷卻水箱進(jìn)行熱量交換,從而滿足地源熱泵節(jié)能的要求。

本文所提出的新型地源熱泵系統(tǒng),應(yīng)用于利用地?zé)峁嶂评洹碛泻＞d城市儲(chǔ)水系統(tǒng)的新型環(huán)保地鐵站,主要針對(duì)國(guó)內(nèi)部分建有地鐵并對(duì)地鐵站內(nèi)有溫度調(diào)節(jié)需求的城市?？梢灶A(yù)見,在地鐵大發(fā)展和海綿大城市建設(shè)的背景下,該新型地源熱泵系統(tǒng)是一種高效節(jié)能、無(wú)污染、低運(yùn)行成本的新型節(jié)能技術(shù)。將此系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵之中,響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召,打破傳統(tǒng)的氟利昂制冷方式,一定程度上緩解臭氧層空洞等環(huán)境問(wèn)題；同時(shí)，作為海綿城市的一部分,儲(chǔ)存、利用雨水,一定程度上減少了地鐵站用水對(duì)市政的負(fù)荷,對(duì)于海綿城市的建設(shè)起到推動(dòng)作用。

圖3 換熱水墻

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 熱能交換方式的突破

傳統(tǒng)的空調(diào)是直接與空氣交換熱量,由于天氣情況的不確定性,在高溫、暴雨的環(huán)境下,換熱極其不穩(wěn)定,能耗比普通狀況高。而地源熱泵的熱能的交換方式是將換熱管中的介質(zhì)直接通過(guò)土壤進(jìn)行熱量交換。

3.2 雨水利用

雨水循環(huán)利用可以有效地利用該淡水資源,減少市政用水負(fù)荷,一定程度上緩解城市洪澇,進(jìn)一步減少城市的水土流失。這次的研究課題主要針對(duì)江浙地區(qū)建有地鐵并對(duì)地鐵站內(nèi)有溫度調(diào)節(jié)需求的城市。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

由于地鐵站處于地下恒溫層,換熱管道可以直接與恒溫土壤相接觸換熱,降低施工難度和成本,而且地源熱泵的管道鋪設(shè)可以與地鐵的特殊結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)優(yōu)化施工方式便于后期維護(hù)。雖然地源熱泵的初期投入成本高,但之后的運(yùn)行成本和維修成本低于傳統(tǒng)空調(diào)。

3.4 環(huán)保效益

通過(guò)計(jì)算,每年可以減少大約25%的電能,這意味著大量減少二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳等污染物的排放和氟利昂等有害物質(zhì)消耗,減少對(duì)臭氧層的破壞,很大程度上減輕環(huán)境壓力。

可以預(yù)見,在地鐵大發(fā)展和海綿大城市建設(shè)的背景下,將高效節(jié)能、無(wú)污染、低運(yùn)行成本的新型節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于地鐵,響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召,未來(lái)會(huì)有很大的市場(chǎng)。

4 實(shí)施方法

以地鐵地下2層車站施工為例,使用明挖法工作方式。首先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工,防止基坑坍塌。車站采用地下連續(xù)墻+混凝土支撐+鋼支撐的支護(hù)形式。在四周豎直圍護(hù)鉆孔灌注樁,安置鋼筋籠,澆灌水泥。強(qiáng)度達(dá)到要求后,開始挖坑。由于地鐵2層車站一般深度為10～20 m,基坑開挖深度越深,土壓力越大,僅靠鉆孔灌注樁不足以支撐基坑不坍塌,基坑開挖不能一步到位。因此,在挖掘過(guò)程中,每挖幾米,需要架設(shè)混凝土支撐或者鋼支撐。在挖掘到基坑的最底下標(biāo)高位置后,附屬工程在挖掘的時(shí)候可同時(shí)進(jìn)行。地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)的施工作為附屬工程,將附屬工程分為三個(gè)主要施工部分,分別為：安放地埋管換熱器、冷卻水箱和熱泵機(jī)組。

地埋管熱源熱泵系統(tǒng)就是通過(guò)熱泵原理,以地埋管的形式與土壤進(jìn)行換熱,達(dá)到節(jié)能的目的。安放地埋管換熱器后,將集水箱深埋入土壤中。集水箱的數(shù)量通過(guò)地鐵車站總的熱負(fù)荷來(lái)確定。表1給出了一個(gè)熱負(fù)荷計(jì)算的例子：通過(guò)計(jì)算人員負(fù)荷、車站照明及設(shè)備負(fù)荷、出入口滲透換熱、屏蔽門負(fù)荷等得出總負(fù)荷為383.78 kW。

表1 地鐵車站熱量計(jì)算

在系統(tǒng)日常運(yùn)行中,通過(guò)一份電能輸出,將帶出4～5份地表淺層的地?zé)崮?用于室內(nèi)的制冷和制熱。在施工完成后,地埋管換熱器,冷卻水箱及熱泵機(jī)組通過(guò)管道相互連接, 集水箱中的換熱入水管與

地源熱泵系統(tǒng)中熱泵機(jī)組中的蒸發(fā)器出水管相連,換熱出水管與地源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組中的蒸發(fā)器入水管相連,入水管與雨水收集器相連,出水管與排污管道相連通向污水池。所收集的雨水在進(jìn)入雨水存儲(chǔ)系統(tǒng)之前,須經(jīng)過(guò)一定的沉淀過(guò)濾處理,以去除雨水中的泥沙等雜質(zhì),凈化后的雨水通過(guò)管道匯入地源熱泵的水箱中,既能起到存儲(chǔ)的作用又為交換管提供了冷源,同時(shí)將凈化后的雨水用于地鐵站內(nèi)部的衛(wèi)生供水,充分起到雨水的收集利用作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

新型地鐵節(jié)能技術(shù)使地源熱泵的換熱系統(tǒng)與儲(chǔ)水、排水等調(diào)水性功能相結(jié)合,一方面加快地源熱泵換熱系統(tǒng)的能量交換效率；另一方面進(jìn)行雨水回收利用,大大減少了建設(shè)排水管道和鋼筋混凝土水池的工程量,而且雨水“凈增成本”比較低,還能大幅減少水環(huán)境污染治理費(fèi)用,降低城市內(nèi)澇造成的巨額損失。同時(shí),由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在不改變?cè)蓟拒囌窘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)施,因此,必須要考慮系統(tǒng)散熱對(duì)周圍場(chǎng)地的影響。

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