地下工程地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控溫方案

楊 靜，曹曉玲，袁艷平，曾 超，孫亮亮

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地下工程地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控溫方案

楊 靜，曹曉玲，袁艷平※，曾 超，孫亮亮

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

基于紅外偽裝和節(jié)能的雙重需求，該文提出一種應(yīng)用于地下工程的地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)。在對(duì)該系統(tǒng)理論分析的基礎(chǔ)上，提出階段控制和全年控制2種室內(nèi)溫度控制方案。以北京某地下工程為例，借助TRNSYS軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。結(jié)果表明，采用階段控制方案在過渡季可以改善人體的熱舒適，采用不同溫度控制方案對(duì)平時(shí)間歇運(yùn)行的地埋管系統(tǒng)影響不大，熱泵系統(tǒng)在40 a周期內(nèi)均能夠保證空調(diào)負(fù)荷需求。研究對(duì)象的平時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，戰(zhàn)時(shí)均為制冷模式，其峰值冷負(fù)荷約為平時(shí)的3.15倍。最后以耗水量和占地面積為指標(biāo)，對(duì)比分析了“地埋管+靜態(tài)水箱”和“地埋管+動(dòng)態(tài)水箱”2種冷熱源方案，認(rèn)為該工程采用“地埋管+動(dòng)態(tài)水箱”復(fù)合冷熱源方案更優(yōu)。該研究為地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)在地下人防工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

熱泵；溫度；濕度；地下工程；紅外偽裝；地埋管；水箱

0 引 言

人防工程是戰(zhàn)時(shí)掩蔽人員、物質(zhì)以及保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要場(chǎng)所，也是實(shí)施人民防空最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，作為國(guó)家軍事力量的重要組成部分，在未來的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，其作用將大大加強(qiáng)，而良好的內(nèi)部熱濕環(huán)境是防護(hù)工程發(fā)揮作用的重要保障[2]。人防工程往往處于一定深度的地下空間，基本不存在太陽輻射和空氣滲透，且平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)的差異很大[3]。目前地下工程中大多采用全空氣集中式空調(diào)系統(tǒng)[4]，空調(diào)負(fù)荷是按戰(zhàn)時(shí)的最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，而平時(shí)工程大多處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)際的冷負(fù)荷和熱濕比大大低于設(shè)計(jì)值，使用時(shí)不能滿足不同區(qū)域的溫濕度要求，也不能兼顧不同階段的空調(diào)要求，還造成了大量能量浪費(fèi)。

在冷凝熱的處理方面，現(xiàn)有人防工程的空調(diào)冷卻系統(tǒng)大多采用室外冷卻塔和室內(nèi)冷卻水庫[5]，室外冷卻塔運(yùn)行時(shí)與周圍環(huán)境溫差較大，往往引起可見光暴露，是敵方高精度武器打擊的靶子，一旦冷卻塔被摧毀，則內(nèi)部空氣溫度保障系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行，而室內(nèi)冷卻水庫占地面積大，在使用的過程中溫度不斷上升，需要頻繁的大量換水，大大降低了空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的效率。針對(duì)冷卻塔可見光易暴露不利于偽裝的特點(diǎn)，學(xué)者們紛紛提出了解決方法，包括冷卻塔入地模式[6-9]以及冷卻塔替代模式[10-16]。冷卻塔入地模式雖然解決了冷卻塔可見光暴露的問題，對(duì)工程的偽裝起到了一定作用，但是需要另外引入空氣作為冷卻塔的排風(fēng)，這就會(huì)使得風(fēng)道尺寸設(shè)計(jì)增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本增加，從而造成系統(tǒng)不節(jié)能。冷卻塔替代模式雖對(duì)工程的紅外偽裝有一定的加強(qiáng)，但是難以解決不同控制區(qū)域冷熱負(fù)荷不均的問題。針對(duì)該問題，耿世彬等[17]提出將水環(huán)熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到地下工程中，并以地下水箱+風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為它的冷凝熱處理方式，從理論上論證了該系統(tǒng)的可行性。

綜上分析，針對(duì)紅外偽裝問題，冷卻塔替代方案是一種有效的解決方式，但現(xiàn)有人防工程的空調(diào)系統(tǒng)大多無法同時(shí)兼顧紅外偽裝和節(jié)能要求。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于紅外偽裝和節(jié)能的雙重需求，提出一種應(yīng)用于地下工程的地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)，從理論上分析了該系統(tǒng)應(yīng)用在地下人防工程中的特點(diǎn)，并以北京某一地下工程為例，借助TRNSYS軟件計(jì)算了平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)建筑的空調(diào)負(fù)荷，對(duì)地埋管的運(yùn)行換熱性能進(jìn)行了模擬分析，最后以耗水量和占地面積為指標(biāo)，對(duì)“地埋管+靜態(tài)水箱”和“地埋管+動(dòng)態(tài)水箱”2種冷熱源方案進(jìn)行選擇。

1 地下工程地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)采用除濕型水環(huán)熱泵機(jī)組[18]作為空調(diào)末端，采用“地埋管+水箱”并聯(lián)作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)合冷卻方式。平時(shí)用地埋管與土壤換熱滿足空調(diào)負(fù)荷需求，戰(zhàn)時(shí)增加水箱換熱滿足多余空調(diào)負(fù)荷需求。其中，復(fù)合冷熱源包含“地埋管+靜態(tài)水箱”和“地埋管+動(dòng)態(tài)水箱”2種配置模式，如圖1所示。

注： 1-4.閥門 5.地埋管換熱器 6.儲(chǔ)水箱 7.水/空氣熱泵機(jī)組 8.循環(huán)水泵 9.膨脹水箱

Note: 1-4.Valves 5.Ground heat exchanger 6.Water tank 7.Water & air heat pump units 8.Circulating pump 9.Expansion tank

a. 地埋管+靜態(tài)水箱

a. Buried pipe & static tank

注： 1-6.閥門 7.地埋管換熱器 8.換熱水箱 9.換熱盤管 10.水/空氣熱泵機(jī)組 11.循環(huán)水泵 12.膨脹水箱

Note: 1-6.Valves 7.Ground heat exchanger 8. Heat exchange tank 9. Heat exchanger coil 10.Water & air heat pump units 11.Circulating pump 12.Expansion tan

b. 地埋管+動(dòng)態(tài)水箱

b. Buried pipe & dynamic tank

圖1 地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of water loop heat pump system with parallel buried pipe and water tank

1）地埋管+靜態(tài)水箱

如圖1a所示，在大體積水箱或水庫內(nèi)儲(chǔ)存低溫冷水。進(jìn)入戰(zhàn)備階段后，同時(shí)開啟閥門1、2、3、4，來自末端的高溫循環(huán)水一部分進(jìn)入地埋管與土壤換熱，一部分進(jìn)入儲(chǔ)水箱置換水箱內(nèi)的冷水，在出口混合后進(jìn)入熱泵機(jī)組與冷凝器換熱。該方案主要利用低溫水的顯冷量來緩解戰(zhàn)時(shí)空調(diào)負(fù)荷，蓄冷量的大小取決于儲(chǔ)水箱的容積和蓄冷溫差的大小。蓄冷溫差是指空調(diào)循環(huán)水最高溫度與冷水最低溫度之差。水箱可多面與工程內(nèi)的土壤、巖石以及被覆接觸，初始水溫接近地溫，因而靜態(tài)水箱的蓄冷溫差相對(duì)較大，單位體積蓄冷量高，耗水量相對(duì)較小。但該方案在使用過程中水箱存在熱量堆積問題，需要通過換水來維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，容易造成水資源浪費(fèi)，適用于附近水資源匱乏且平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)的負(fù)荷差較小的工程。

2）地埋管+動(dòng)態(tài)水箱

如圖1b所示，在動(dòng)態(tài)水箱內(nèi)設(shè)置換熱盤管，盤管內(nèi)通空調(diào)循環(huán)水，上進(jìn)下出，水箱內(nèi)通流動(dòng)的低溫冷水，下進(jìn)上出，2種換熱介質(zhì)互為逆流。進(jìn)入戰(zhàn)備階段后，同時(shí)開啟閥門3、4、5、6，室外冷水經(jīng)閥門5進(jìn)入水箱，與盤管換熱升溫后經(jīng)閥門6流出；循環(huán)水經(jīng)閥門3進(jìn)入盤管換熱器，將熱量釋放給冷水后經(jīng)閥門4流出。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于流動(dòng)的冷水及時(shí)帶走了熱量，不存在熱量堆積問題，盤管內(nèi)外介質(zhì)之間存在較大的換熱溫差，有利于盤管換熱[19]，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供冷。其中，冷水來源廣泛，可以是工程附近的地下水、地下暗河，也可以是與建筑臨近的深層地表水。當(dāng)其進(jìn)入換熱水箱完成供冷后，再被回送到原有水域，不會(huì)造成水資源浪費(fèi)。由于室內(nèi)循環(huán)管網(wǎng)采用閉式循環(huán)，與室外供水管網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生交叉污染。該方案適用于附近水資源相對(duì)充足的工程。

1.2 系統(tǒng)在地下工程的應(yīng)用特點(diǎn)

1）可自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)熱泵機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷與供熱，并通過水環(huán)路將熱區(qū)的冷量轉(zhuǎn)移到冷區(qū)，避免了末端設(shè)備冷熱量的抵消，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯[20-22]。

2）增強(qiáng)隱蔽性，便于維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)幾乎無外置設(shè)備，既增強(qiáng)了人防工程的偽裝效果，戰(zhàn)時(shí)被摧毀的可能性較小，同時(shí)維護(hù)人員在工程內(nèi)部即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，大大提高了人防工程的安全性。

3）節(jié)省地下空間。由于系統(tǒng)無需機(jī)房，相比單一的水庫吸收余熱模式，戰(zhàn)時(shí)地埋管系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用可降低水庫的裝機(jī)容量，減小占地面積。

4）提高能源保障能力。整個(gè)系統(tǒng)僅循環(huán)水泵和熱泵機(jī)組驅(qū)動(dòng)耗能，無冷卻塔和制冷設(shè)備的耗能，在一定程度上緩解了備用電站的壓力，提高了人防工程戰(zhàn)時(shí)的能源保障能力。

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 溫控方案的提出

文獻(xiàn)[23]中，平時(shí)地下商場(chǎng)的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)為夏季溫度≥28 ℃，相對(duì)濕度≥75%，冬季溫度≤16 ℃，相對(duì)濕度≤30%，按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的工程，有可能造成夏季進(jìn)工程要穿衣、冬季進(jìn)工程要脫衣的現(xiàn)象。于是，筆者基于文獻(xiàn)[24]對(duì)人體熱舒適等級(jí)的劃分提出階段控制和全年控制2種室內(nèi)溫度控制方案。2種控制方案下室內(nèi)溫度t的取值如表1所示。2種溫控方案采用相同的相對(duì)濕度，夏季相對(duì)濕度為60%，過渡季相對(duì)濕度為40%～60%，冬季相對(duì)濕度為40%。

表1 室內(nèi)溫度參數(shù)

全年控制方案是指全年采取相同的溫度控制方式，只要室內(nèi)溫度低于18 ℃則需供熱，高于28 ℃則需制冷。階段控制方案則是根據(jù)季節(jié)的不通劃分不同的溫度控制范圍，低于范圍溫度則需供熱，高于范圍溫度則需制冷。

2.2 建筑概況

該工程為北京某一地下商場(chǎng)其中的一個(gè)防護(hù)單元，地下空間凈高為4 m，人防建筑面積為1 784 m2，人防使用面積1 440 m2，人防掩蔽面積1 260 m2。作為二等人員掩蔽部，戰(zhàn)時(shí)人員掩蔽密度為每人1 m2，建筑平面如圖2所示。

A. 商鋪 B.發(fā)電機(jī)房 C.男干廁 D.女干廁 E.防化器材儲(chǔ)藏室 F.防化通信值班室 G.排風(fēng)機(jī)房 H.進(jìn)風(fēng)機(jī)房 I.走道

2.3 仿真計(jì)算模型及參數(shù)

2.3.1 TRNSYS仿真模型

本文采用TRNSYS軟件計(jì)算全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷，通過TRNBuild建立建筑模型。TRNBuild將一個(gè)建筑分為若干個(gè)熱區(qū)，每個(gè)熱區(qū)可以設(shè)置不同的室內(nèi)控制參數(shù)。若房間在同一樓層，房間所處朝向?yàn)橥怀?，室?nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)也相同，此時(shí)就可以將這些房間設(shè)置為同一個(gè)熱區(qū)。因地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱不受朝向影響，因此，本文根據(jù)房間使用功能將建筑劃分為7個(gè)分區(qū)，包含發(fā)電機(jī)房136.3 m2、商鋪758.2 m2、戰(zhàn)時(shí)男干廁/平時(shí)商鋪39.46 m2、戰(zhàn)時(shí)女干廁/平時(shí)商鋪35.68 m2、走道496.3 m2、防護(hù)器材儲(chǔ)藏室8.2 m2、防化通信值班室8.1 m2。建模完成后，TRNBuild會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后綴為BUI的文件，此文件包含建筑模型的所有信息，在TRNSYS仿真軟件上，通過部件Type56（Building）讀取BUI文件，即可獲得建筑模型的輸入和輸出變量列表，建立仿真平臺(tái)如圖3所示。

圖3 仿真計(jì)算平臺(tái)

2.3.2 負(fù)荷計(jì)算參數(shù)

1）條件假設(shè)

由于工程只通過少量的出入口和通風(fēng)豎井與外界連通，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面幾乎全部與土壤或巖石接觸，工程內(nèi)的小氣候幾乎不受太陽輻射和室外氣溫變化的影響，工程內(nèi)的余熱、余濕主要是由室外引入的新風(fēng)、房間內(nèi)的人員和各種電器設(shè)備產(chǎn)生，因此假定與土壤接觸的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為建筑的定溫邊界，其溫度為土壤的全年平均溫度。

2）模擬參數(shù)設(shè)置

商場(chǎng)建筑空調(diào)系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間為08:00－22:00，照明時(shí)間、人員逐時(shí)在室率、電器設(shè)備逐時(shí)使用率及新風(fēng)運(yùn)行情況參考文獻(xiàn)[25]設(shè)置。圍護(hù)結(jié)構(gòu)散濕量取經(jīng)驗(yàn)值0.5 g/(h·m2)，人為散濕量每人取30 g/h，發(fā)電機(jī)房選用國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電功率為330 kW，發(fā)電散熱量約為61.59 kW，其他室內(nèi)參數(shù)如表2所示，室外參數(shù)采用北京典型年（EPW格式）氣象數(shù)據(jù)。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)[23,25]

2.4 平時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果與分析

以1月1日00:00為起始時(shí)間，通過模擬計(jì)算，得到平時(shí)地下人防工程的峰值負(fù)荷及全年（8 760 h）累計(jì)負(fù)荷，如表3所示。由表3可知，2種溫控方案下的峰值冷負(fù)荷基本相同，峰值熱負(fù)荷僅相差1.56 kW。全年溫度控制方案下的累計(jì)冷負(fù)荷是累計(jì)熱負(fù)荷的3.13倍，階段溫度控制方案下的累計(jì)冷負(fù)荷是累計(jì)熱負(fù)荷的3.48倍，階段溫度控制方案下的累計(jì)冷負(fù)荷相比全年溫度控制方案高出13.25%。由此可以看出，不同的溫度控制方案下的空調(diào)冷熱負(fù)荷差異較大。

表3 平時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果

根據(jù)模擬情況，2種溫控方案下的室內(nèi)溫度變化情況僅在過渡季節(jié)（2 160～3 624、5 832～7 296 h）出現(xiàn)了明顯的差異，以商鋪為例，全年溫度控制方案下室內(nèi)溫度的最大波動(dòng)范圍為0.8～3.6 ℃，階段溫度控制方案下室內(nèi)溫度的最大波動(dòng)范圍為0.4～2.2 ℃，前者大于后者，相對(duì)來說更容易造成人員感覺上的不舒適，特別是全天在室內(nèi)的工作人員。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全年溫度控制方案下的室內(nèi)外溫差在87%的時(shí)間內(nèi)是高于階段溫度控制方案的，對(duì)室外人員來說，當(dāng)其從室外進(jìn)入室內(nèi)感受到的熱差異也相對(duì)比較明顯。因此認(rèn)為采用階段溫度控制方案對(duì)人體的熱舒適環(huán)境有改善作用。

2.5 地埋管運(yùn)行分析

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，平時(shí)建筑全年的累計(jì)冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于累計(jì)熱負(fù)荷，若僅采用地埋管換熱作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，則存在向土壤的排熱量與吸熱量不平衡的問題。由于北京的熱工分區(qū)屬于嚴(yán)寒A區(qū)[25]，土壤初始溫度比較低，故而排熱量大于取熱量并不意味著要添加輔助排熱設(shè)備，只要能保證在整個(gè)生命周期內(nèi)地埋管的出口水溫不超過機(jī)組的正常使用范圍，則認(rèn)為方案可行。

2.5.1 地埋管模擬驗(yàn)證

本文采用TRNSYS軟件模擬地埋管系統(tǒng)的換熱性能。為驗(yàn)證模擬的正確性，參照文獻(xiàn)[26]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)地埋管的單位管長(zhǎng)換熱量進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果僅在初始階段存在較大的偏差，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，地埋管單位管長(zhǎng)換熱量逐漸趨于穩(wěn)定，兩者的吻合程度也越來越高。在運(yùn)行90 min后，兩者的相對(duì)誤差基本控制在5%以內(nèi)，造成誤差的可能原因有：1）試驗(yàn)裝置系統(tǒng)受氣候條件等因素影響較大；2）軟件模型中的換熱熱流相對(duì)比較穩(wěn)定；3）試驗(yàn)測(cè)量裝置本身存在誤差等。由于實(shí)際地埋管運(yùn)行時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，而模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在短時(shí)間內(nèi)已經(jīng)吻合較好，從而驗(yàn)證了該數(shù)值計(jì)算模型的正確性。

圖4 地埋管試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

2.5.2 地埋管設(shè)計(jì)

1）條件假定

地埋管的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中：①假設(shè)巖土體是均勻的，而且在整個(gè)傳熱過程中巖土的熱物性不變；②忽略巖土層中水分遷移的影響；③忽略U形管管壁與回填材料、回填材料與巖土體之間的接觸熱阻；④忽略地表溫度波動(dòng)及埋管深度對(duì)巖土溫度的影響，認(rèn)為巖土溫度均勻一致，初始溫度為當(dāng)?shù)厣疃葏^(qū)域內(nèi)土壤的年平均溫度；⑤管內(nèi)初始溫度定為20 ℃，初始流速為0.5 m/s；⑥鉆井間距足夠大，忽略鉆井與鉆井之間的傳熱影響；⑦忽略短期脈沖負(fù)荷所引起的附加熱阻。

2）設(shè)計(jì)參數(shù)

選用外徑d=32 mm、內(nèi)徑d=25 mm的高密度聚乙烯管作為埋管材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.46 W/(m·K)。埋管形式采用單U形式，埋管深度為=100 m，埋管間距=7 m，鉆孔孔徑為=150 mm，回填材料采用含有10%膨潤(rùn)土、90% SiO2沙子的混合物，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=2 W/(m·K)；土壤選擇致密沙土（含水率5%），導(dǎo)熱系數(shù)為λ=2.2 W/(m·K)，擴(kuò)散率取=1.4×10-6m2/s，體積比熱容c=2 200 kJ/(m3·K)。

3）鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算

末端選用麥克維爾分體式水源熱泵機(jī)組，機(jī)組正常制冷進(jìn)水溫度范圍為13～40 ℃，機(jī)組正常制熱進(jìn)水溫度范圍10～35 ℃，其平均制冷性能系數(shù)為4.04，平均制熱系數(shù)為4.39。參照文獻(xiàn)[27]推薦的鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算方法，得到鉆孔長(zhǎng)度為2 182 m，鉆孔個(gè)數(shù)取22。在末端供回水溫差為5 ℃時(shí)，環(huán)路設(shè)計(jì)流量為31.59 m3/h，對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)流速為0.81 m/s。通過校核計(jì)算，雷諾數(shù)為20 193，大于4 000，為紊流狀態(tài)，合乎設(shè)計(jì)條件。

2.5.3 地埋管模擬結(jié)果分析

由于地下商場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間為8:00－22:00，所以平時(shí)地埋管系統(tǒng)處于間歇運(yùn)行狀態(tài)。本文通過所選機(jī)組的平均制冷系數(shù)和平均制熱系數(shù)將空調(diào)負(fù)荷與水環(huán)路進(jìn)行耦合，模擬得到系統(tǒng)運(yùn)行40 a（生命周期）地埋管的最高和最低出口水溫，如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著運(yùn)行年限的增加，地埋管的最高和最低出口水溫均在不斷升高，但升高的幅度在不斷減緩，最后逐漸趨于平穩(wěn)，主要是因?yàn)榈芈窆軗Q熱器與地下土壤的換熱量隨著運(yùn)行年限的增加而逐漸增大了。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至40 a，2種溫度控制方案下的地埋管最高出口水溫分別上升至34.87和35.77 ℃，最低出口水溫分別上升至16.03和16.9 ℃，可見，兩者差距相對(duì)較小，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行至40 a，地埋管的出口水溫仍在機(jī)組的正常進(jìn)水溫度范圍內(nèi)，能夠滿足空調(diào)負(fù)荷需求。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行40 a地埋管出口水溫

2.6 平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)空調(diào)負(fù)荷對(duì)比分析

根據(jù)上述研究可知，階段溫度控制方案下的空調(diào)負(fù)荷高于全年溫度控制方案，說明采用階段溫度控制方案對(duì)能源的需求更大。為減少戰(zhàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)能源的需求，空調(diào)系統(tǒng)采用全年溫度控制方案，平時(shí)階段為了保證更為舒適的熱環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)采用階段溫度控制方案。平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)全年（8 760 h）的空調(diào)負(fù)荷模擬結(jié)果如表4所示。

表4 平、戰(zhàn)負(fù)荷模擬結(jié)果

由表4可知，平時(shí)空調(diào)系統(tǒng)既需要供冷也需要供熱，雖然供冷時(shí)長(zhǎng)低于供熱時(shí)長(zhǎng)，但其峰值冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于峰值熱負(fù)荷；戰(zhàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)全年處于制冷狀態(tài)，其峰值冷負(fù)荷約為平時(shí)峰值冷負(fù)荷的3.15倍。主要原因在于地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有保溫功能，在冬季，內(nèi)熱源承擔(dān)了部分建筑熱負(fù)荷，而夏季內(nèi)熱源卻增加了建筑冷負(fù)荷，所以平時(shí)階段的空調(diào)負(fù)荷有正有負(fù)，且夏季的冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季的熱負(fù)荷。在戰(zhàn)時(shí)，由于人員增多、大功率設(shè)備運(yùn)行，內(nèi)熱源增大，使得房間的內(nèi)熱源超過了冬季其他形式的熱負(fù)荷，所以全年需要制冷。

3 冷熱源方案的選擇

從現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的目的、戰(zhàn)爭(zhēng)消耗和政治影響分析來看，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的效率越來越高，持續(xù)的時(shí)間也越來越短。本文假定戰(zhàn)爭(zhēng)持續(xù)的時(shí)間為5 d，對(duì)應(yīng)最大平時(shí)、戰(zhàn)時(shí)累計(jì)負(fù)荷差?ΣQmax=36 356 kWh，出現(xiàn)在5 040～5 160 h。靜態(tài)水箱按平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)最大累計(jì)負(fù)荷差設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)水箱按平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)最大負(fù)荷差計(jì)算。假定靜態(tài)水箱的初始水溫和動(dòng)態(tài)水箱的進(jìn)口水溫均為20 ℃，靜態(tài)水箱蓄冷溫差為15 ℃，動(dòng)態(tài)水箱設(shè)計(jì)出口水溫為25 ℃，換熱盤管設(shè)計(jì)進(jìn)、出口水溫為40和30 ℃，不考慮熱損失。根據(jù)能量守恒定律，計(jì)算得到地埋管+靜態(tài)水箱方案的耗水量共2 084 m3，即17.37 m3/h，若地下工程能夠容納的水箱容積為200 m3，則需換水至少11次；地埋管+動(dòng)態(tài)水箱方案的耗水量為46.84 m3/h，所需水箱容積約22.9 m3。

兩者相比，靜態(tài)水箱的耗水量小，但占地面積大，運(yùn)行時(shí)需頻繁大量地?fù)Q水，并且在使用過程中存在熱堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致水箱內(nèi)流體溫度不斷上升，不利于戰(zhàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；動(dòng)態(tài)水箱耗水量大，但占地面積小，供冷相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)建筑平面圖2來看，工程內(nèi)無可用空間容納大體積的靜態(tài)水箱，由于北京屬于地下水補(bǔ)給較豐富區(qū)，地下水的采用量占總用水量71%[28]，有利于地埋管+動(dòng)態(tài)水箱方案的實(shí)施，因此選用地埋管+動(dòng)態(tài)水箱復(fù)合冷熱源方案。

4 結(jié) 論

基于紅外偽裝和節(jié)能雙重需求，本文提出一種應(yīng)用于地下工程的地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵系統(tǒng)，從理論上分析了該系統(tǒng)應(yīng)用在地下人防工程中的特點(diǎn)，并以北京某地下工程為例，借助TRNSYS軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，得出以下結(jié)論：

1）采用階段溫度控制方案在過渡季可以改善人體的熱舒適環(huán)境。階段溫度控制方案下的全年累計(jì)冷負(fù)荷比全年溫度控制方案高出13.25%，在相同的設(shè)計(jì)條件下，空調(diào)系統(tǒng)采用不同的溫控方式對(duì)平時(shí)間歇運(yùn)行的地埋管系統(tǒng)影響不大，在40 a周期內(nèi)均能夠保證負(fù)荷需求。

2）在北京地區(qū)，平時(shí)用作商場(chǎng)的地下人防工程，夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷，戰(zhàn)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)均處于制冷模式。本文研究對(duì)象的戰(zhàn)時(shí)峰值冷負(fù)荷為463.44 kW，約為平時(shí)峰值冷負(fù)荷的3.15倍。

3）地埋管+靜態(tài)水箱復(fù)合冷熱源方案耗水量小，但占地面積大，容易造成水資源浪費(fèi)，不利于空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，可適用于附近水資源匱乏且平戰(zhàn)負(fù)荷差相對(duì)較小的工程；地埋管+動(dòng)態(tài)水箱復(fù)合冷熱源方案耗水量大，但占地面積小，供冷相對(duì)穩(wěn)定，可適用于附近水資源較為充足的工程。因此，在對(duì)冷熱源方案進(jìn)行選擇時(shí)，需要綜合考慮工程的使用功能及所在的地理位置。

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Design and temperature control scheme for water loop heat pump air conditioning system with combination of buried pipe and water tank in underground engineering

Yang Jing, Cao Xiaoling, Yuan Yanping※, Zeng Chao, Sun Liangliang

(,610031,)

Information-based war will be the main way of fighting in the future with the progress of science and technology. As an important part of the country’s military power, civil air defense projects will face more severe challenges. A good thermal environment is an important security for civil air defense projects to play a role. Nowadays, the central air conditioning systems are widely used in the underground space to maintain indoor temperature and humidity. However, these systems are confirmed to have high energy consumption and easy to cause infrared exposure. Therefore, it’s absolutely necessary to design a safe, applicable, high efficient and energy-saving system to improve the thermal and humidity condition for protection engineering. Based on the dual demands for energy saving and infrared camouflage, this paper proposes a new air conditioning system. It uses the water loop heat pump units as the air conditioner, which can realize cooling and heating at the same time and transfer heat from hot area to cold area through the water circulation loop for energy saving. In addition, replacing the traditional cooling towers by composite cold and heat sources that consist of ground heat exchanger and water tank in parallel, high-temperature gas will not be produced, which can avoid infrared exposure and improve the ability of energy security for using renewable energy. There are 2 forms of composite cold and heat sources. Buried pipe combined with static water tank constitutes one and buried pipe with dynamic water tank constitutes the other. When using static water tank, it needs to replace the water frequently to maintain normal operation due to heat accumulation and being easy to cause the waste of water resources, so it is not applicable to the areas where water resources are scarce. When using dynamic water tank, it can achieve cooling continuously and has small floor space, but it has high water consumption. So it is applicable to the areas where water resources are adequate. In this paper, the application characteristics of the new system are illustrated. Afterwards, the concepts of stage control and annual control over temperature are put forward. To analyze the load characteristics of the underground space both in peace time and war time, the whole-year hourly dynamic load of a civil air defense project in Beijing is simulated by TRNSYS (transient system simulation program) software. Results show that it can improve the thermal environment effectively in transition season when the stage control plan is used. When the air conditioning system runs every day at intervals, the buried pipe system can meet the demand for cooling capacity over 40 years. For this project, it needs refrigeration throughout the year in war time. The load in war time is far more than the load in peace time, and the peak load in war time is about 3.15 times that in peace time. Finally, by comparing the water consumption and cover area, it concludes that the cold and heat source consisting of ground heat exchanger and dynamic water tank is more suitable for this project. This paper has important guiding significance for the application of the air conditioning system of water loop heat pump with composite cold and heat sources to underground engineering.

heat pump; temperature; humidity; underground engineering; infrared camouflage; ground heat exchanger; water tank

2017-10-13

2018-01-31

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015TD0015）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51678488）

楊 靜，主要從事地下空間熱濕環(huán)境研究。Email：1689811045@qq.com

袁艷平，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事地下空間熱濕環(huán)境與安全、地源熱泵、太陽能建筑一體化、相變儲(chǔ)能在暖通領(lǐng)域的應(yīng)用研究。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030

TK01.9

A

1002-6819(2018)-04-0248-07

楊 靜，曹曉玲，袁艷平，曾 超，孫亮亮. 地下工程地埋管水箱并聯(lián)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控溫方案[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(4)：248－254.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030 http://www.tcsae.org

Yang Jing, Cao Xiaoling, Yuan Yanping, Zeng Chao, Sun Liangliang. Design and temperature control scheme for water loop heat pump air conditioning system with combination of buried pipe and water tank in underground engineering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 248－254. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030 http://www.tcsae.org