水源地源换热

竖直地埋管换热器在地下工程中的应用研究

信息来源:解放军理工大学作者:茅靳丰 李永 张 华 耿世彬 韩旭更新日期:13-12-31 点击:

   摘要:竖直地埋管换热器替代冷却塔用于地下工程中,有利于工程防护能力和能源效率的提高。探讨了地埋管换热器在地下工程中的应用形式,包括与冷热源和末端的联合使用;基于地下工程的负荷特点和时间特性及山区岩土体的特性,探讨了地埋管换热器的适用性,结果表明地下工程的热负荷特性有利于地埋管换热器周围温度场的恢复,岩土体较大的导热系数和渗流的存在有利于换热效率的提高;分析了地埋管换热器使用可能导致的热红外暴露问题,提出采用表面覆土的方法来解决这一问题,建议覆土厚度为2m。
 

    0 引言
    地下工程是一个相对封闭的空间。为满足功能要求,其内部有大量的通信指挥设备,当满负荷运行时内部会产生大量的余热余湿,传统的方法是采用集中通风空调的方式处理进风,采用冷却塔处理冷凝热。为了便于散热,冷却塔一般安装在工程外部,庞大的冷却塔往往会成为敌方高精度武器打击的靶子,一旦冷却塔被摧毁则内部空气温湿度保障系统将无法正常运行[1]。另一方面,通过对冷却塔的侦查也可得知防护工程的级别配置和大体位置。
    冷却塔需消耗大量的水资源,传统的冷却系统一般采用大型水库+室外冷却塔,平时用室外冷却塔对冷却循环水进行降温处理,战时抽取水库内的水直流进入空调冷凝器后再回到水库,当水库的水温上升到压缩机保护的上限温度(37℃)时,空调将无法工作。由于水库容量有限,该模式一般只能保障满负荷运行几个小时。有的工程甚至设置了上千m3容量的“超级水库”,不利于节能,也不便在地下水资源匮乏的地区使用。
    另一方面,传统的地下工程内部采用集中式空气处理系统,不便于内部不同区域进行不同的温湿度调节;集中式空调模式往往带来大量的能耗,这意味着内部柴油电站的容量需加大,对消烟降温处理不利。基于地下工程冷凝热处理的冷却塔替代研究和内部节能研究的需要,提出了采用地埋管换热器处理工程冷凝热的方法,分析了地埋管换热器与地下工程空气保障系统联合运行的模式,对地埋管换热器在地下工程的适用性进行了相关研究。
    1·地埋管换热器在地下工程空气保障系统中的应用形式
    空气源热泵以室外空气为热源,随着气候的变化热源的温度会出现较大的波动,夏季需要制冷时室外空气温度最高,冬季需要制热时室外空气温度最低。而地层温度常年恒定,不随季节变化,因此竖直地埋管换热器的换热效率高于空气源热泵。地埋管换热器利用岩土体的蓄放热能力,夏季将热量排放到岩土体中,冬季从岩土体中吸收热量。防护工程的负荷变化与地面工程有较大的差异,其空气保障系统也有一定的差别,地埋管换热器可以与空气保障系统的冷热源联合使用,也可与末端设备直接联合使用。
    1.1 地埋管换热器+巷道内冷却塔+调温除湿机组模式
    如图1所示,当工程内部出现满负荷,即内部设备全部运行,人员较多时,首先打开阀门V7,V8,运行地埋管换热器和调温除湿机组,通过换热水箱1和埋管内水循环带走冷凝热;当运行时间过长,地埋管换热器的效率降低时,为防止地埋管换热器不能满足需求,打开阀门V5,V6,运行巷道内冷却塔,同时采用工程内温度较低的排风处理冷凝热,使冷却塔保持较高的效率,地埋管换热器、巷道内冷却塔、调温除湿机组联合运行保障内部热湿环境。该模式可以避免使用庞大的水库和工程外冷却塔,同时可以充分利用排风的冷量,有利于提高工程的防护能力和节能。
             
    1.2 地埋管换热器与末端设备联合运行
    当工程处于维护管理阶段,即工程内的人员最少,且较少设备开启时,仅需保证部分重要区域的温湿度,可以采用地埋管换热器+水环热泵机组/处理末端的模式进行节能运行。关闭阀门V7,V8,打开阀门V1,V2,水源热泵机组和末端设备通过水环路进行吸热放热,地埋管换热器通过换热水箱2进行热量交换。采用该模式运行可以缩短调温除湿空调机组的开启时间或不开启空调机组,解决了维护管理期间需要开启集中空调的弊端,可大大降低工程的能耗。
    2 地埋管对工程负荷特性的适用性
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