利用地溫能的隧道能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

李玉成 李孟琳

(江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210007)

1 南京地溫條件

能源地下工程是結(jié)合地下構(gòu)建與換熱系統(tǒng)耦合的一種新型地源熱泵，其需滿足兩個(gè)應(yīng)用條件：

1)氣候條件：需要周圍地層具有穩(wěn)定的、合適的溫度。

2)工程條件：地下結(jié)構(gòu)埋深要足夠，且與地層接觸要充分。

根據(jù)“中國(guó)自然資源數(shù)據(jù)庫(kù)”中的“氣候資源數(shù)據(jù)庫(kù)”，南京地區(qū)累年各月的平均地溫(地下0.1 m深度處)，如表1所示。

表1 南京累年各月平均地溫(0.1 m 深度處)

運(yùn)用originPro8.0進(jìn)行數(shù)值擬合并結(jié)合式(1)可得地溫函數(shù)關(guān)系式：

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

(1)

據(jù)此得出南京市各月地溫(0 m～10 m)曲線振幅分析(見表2)，并繪制南京地區(qū)不同深度處地溫—時(shí)間曲線(見圖1)。

由上知土壤深度的增加會(huì)導(dǎo)致地溫的振幅迅速衰減。南京地區(qū)全年的地表平均溫度為17.2 ℃，滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件，可以在地鐵車站及隧道埋深內(nèi)為熱泵提供穩(wěn)定熱源。

2 地鐵車站負(fù)荷計(jì)算

表2 南京市各月地溫(0 m～10 m)曲線振幅分析

2.1 人員負(fù)荷

車站的逐時(shí)客流量是影響車站空調(diào)負(fù)荷的一個(gè)重要因素。站內(nèi)乘客的總散熱量和散濕量由客流量決定。這里采用遠(yuǎn)期客流預(yù)測(cè)計(jì)算。

(2)

其中，Qp為乘客產(chǎn)生的逐時(shí)負(fù)荷，W；np為車站客流，per/h；τρs為乘客在車站停留時(shí)間，min；qp為乘客散發(fā)全熱，W/(h·per)。計(jì)算得乘客產(chǎn)生的逐時(shí)載荷為36.47 kW。

2.2 車站照明及設(shè)備負(fù)荷

地鐵車站的照明及設(shè)備發(fā)熱為穩(wěn)態(tài)發(fā)熱，計(jì)算與普通地面建筑相同。設(shè)備通常包括垂直電梯、自動(dòng)售票設(shè)備、自動(dòng)扶梯、機(jī)房設(shè)備和廣告燈箱等。

車站外包總長(zhǎng)178.26 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.3 m，開挖深度26 m。實(shí)際測(cè)量車站照明段長(zhǎng)約130 m，故估計(jì)該站面積6 000 m2?？傻迷撜镜臒艟哒彰靼l(fā)熱量為70.2 kW。依經(jīng)驗(yàn)公式取該站的廣告照明產(chǎn)熱量為48 kW。

自動(dòng)扶梯的產(chǎn)熱量根據(jù)表3取值，自動(dòng)售票檢票設(shè)備每月產(chǎn)熱量依表4取值。

表3 自動(dòng)扶梯在不同高度下的產(chǎn)熱值

表4 自動(dòng)售檢票設(shè)備產(chǎn)熱值 月

垂直電梯的產(chǎn)熱量取22 kW/臺(tái)；站內(nèi)共有5臺(tái)自動(dòng)扶梯，出站口有2臺(tái)自動(dòng)扶梯，自動(dòng)扶梯的產(chǎn)熱量為151.5 kW；站內(nèi)共有6部自動(dòng)售票機(jī)，其產(chǎn)熱量為1.56 kW，無半自動(dòng)售票機(jī)和檢票機(jī)，有20部閘機(jī)，其產(chǎn)熱量為7.2 kW。通信設(shè)備的散熱量按6 kW計(jì)算。

綜合以上各項(xiàng)，車站的照明及設(shè)備負(fù)荷為284.46 kW。

2.3 屏蔽門負(fù)荷

經(jīng)屏蔽門進(jìn)入地鐵車站的熱負(fù)荷分為三類:

1)由屏蔽門縫隙滲透風(fēng)帶來的負(fù)荷;

2)屏蔽門材料進(jìn)行的熱傳導(dǎo);

3)屏蔽門開啟時(shí)的空氣熱濕交換。通過屏蔽門傳熱帶來的負(fù)荷，是整個(gè)屏蔽門負(fù)荷的主要組成部分，一般當(dāng)做一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程處理：

Q=KFΔt

(3)

其中，F(xiàn)為屏蔽門面積，m2；Δt為屏蔽門兩邊溫度差，℃；K為屏蔽門的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

屏蔽門相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 屏蔽門相關(guān)參數(shù)

車站為島式地鐵站，屏蔽門呈對(duì)稱分布。計(jì)算得屏蔽門的傳熱負(fù)荷約為5.36 kW。

2.4 逐時(shí)新風(fēng)負(fù)荷

當(dāng)采用閉式運(yùn)行時(shí)，地鐵車站公共區(qū)內(nèi)所需要的新風(fēng)量不小于12.6，且總的新風(fēng)量不應(yīng)小于系統(tǒng)總風(fēng)量的10%。新風(fēng)負(fù)荷可按式(4),式(5)計(jì)算：

(4)

(5)

其中，QXC,QXT分別為站廳、站臺(tái)的新風(fēng)負(fù)荷，kW；ρw為室外空氣密度，1.18 kg/m3；LXC,LXT分別為站廳、站臺(tái)的新風(fēng)量，m3/h；hw,hC，hT分別為室外空氣、站廳空氣及站臺(tái)空氣焓值，kJ/kg。

計(jì)算得QXC=41.30 kW，QXT=66.08 kW。

2.5 出入口滲透換熱

車站有三個(gè)出口，各個(gè)出入口需要考慮適當(dāng)?shù)臐B透負(fù)荷外，一般按出入口通道截面，以200 W/m2計(jì)。

相對(duì)于地鐵車站，因存在屏蔽門，活塞風(fēng)引起的車站壓力波動(dòng)很小，且屏蔽門遠(yuǎn)離出入口，故可假定出入口的滲透風(fēng)量為定值。

Q=cρGΔt

(6)

其中，Q為出入口滲透負(fù)荷，kW；G為滲透風(fēng)量，這里選取為58.1; Δt為地鐵內(nèi)空氣溫度與外界溫度的差值，取2 ℃；c為室外空氣定壓比熱，這里取夏天的數(shù)據(jù)1.005 kJ/(kg·K)；ρ為室外空氣密度，取1.165 kg/m3。

計(jì)算得出入口滲透換熱負(fù)荷為136 kW。

2.6 地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱庫(kù)效應(yīng)負(fù)荷

地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取嚴(yán)格保溫措施，具有較大的儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷潛力。不考慮熱泵機(jī)組和輸送系統(tǒng)的能耗對(duì)總能耗進(jìn)行估算，公式見式(7)，式(8)。

Qc=F·qCmax·tC

(7)

Qc=F·qHmax·tH

(8)

其中，qHmax為建筑的峰值熱負(fù)荷，kW；qCmax為建筑的峰值冷負(fù)荷，kW；τH為供暖總時(shí)間，s；τC為供冷總時(shí)間，s；F為同時(shí)使用系數(shù)，取0.85。

計(jì)算得夏季能耗7.08×105kW·h，冬季能耗是5.84×105kW·h。

3 地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析

取隧道圍巖每平方米換熱量為15 W；垂直地埋管每延米換熱量為50 W，根據(jù)夏季負(fù)荷408.13 kW計(jì)算，知鋪設(shè)雙U型垂直地埋管須8 163 m；在隧道上鋪設(shè)熱交換管需要27 209 m2。已知隧道熱交換管間距為50 cm，故鋪設(shè)熱交換管總長(zhǎng)約54 416 m。

車站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20 m以下為性質(zhì)較好的粘土。以南京地區(qū)每米井深30 W，管間距4 m，打井深度為60 m，面積為4.5，打井費(fèi)用按照100元/m，地下管材按照50元/m計(jì)算，每口井所需回填材料約為3 250 kg，回填材料200元/t，故鋪設(shè)雙U型垂直地埋管需鉆孔136口，整體造價(jià)為131.29萬元。在隧道內(nèi)鋪設(shè)PE管，按7元/m計(jì)算，人工按10元/m計(jì)算，造價(jià)約為19.05萬元。

地鐵站內(nèi)部線路鋪設(shè)較為復(fù)雜且彈性較大，這里僅考慮外部線路鋪設(shè)費(fèi)用，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，見圖2。

由上知相對(duì)于能源熱泵技術(shù)，采取中央空調(diào)調(diào)控技術(shù)前期投資較低，但其能效比小于能源熱泵系統(tǒng)。從圖2看出，在前十五年內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但之后其費(fèi)用較能源熱泵顯著增長(zhǎng)。

采取隧道內(nèi)PU管鋪設(shè)與采用垂直雙埋管相比，初始造價(jià)相差在38.79萬元。但即便初始投資相差在幾十萬元，隨著時(shí)間推移，考慮到銀行利率問題，最終結(jié)果會(huì)較起始擴(kuò)大十倍以上，最終相差在423.64萬元。

4 結(jié)語

南京地區(qū)地表處的平均溫度與累年恒定的地層溫度相當(dāng)，地溫適宜，滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件，可以在地鐵車站及隧道埋深內(nèi)為熱泵提供穩(wěn)定熱源。

中央空調(diào)調(diào)控技術(shù)相對(duì)于能源熱泵技術(shù)，雖前期投資較低，但其能效比較低，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用也相對(duì)較高。

采取隧道內(nèi)鋪設(shè)熱交換管與采用垂直雙埋管相比，不僅節(jié)約用地，在成本上也有一定優(yōu)勢(shì)。