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1、能源与环境能源与环境第1页，本讲稿共18页济南地下人防工程中自然能源的高效利用济南地下人防工程中自然能源的高效利用 1.技术概述技术概述 2.工作原理工作原理 3.实验研究与分析实验研究与分析 4.结论结论第2页，本讲稿共18页1、技术概述、技术概述v济南济南提出一提出一种种人防工程中自然能源的新的利用方式人防工程中自然能源的新的利用方式，不同于以不同于以 往往对人防建筑人防建筑内内空空气气直接利用的做法直接利用的做法，而是而是将将人防建筑中的空人防建筑中的空 气气作作为热泵系系统的冷的冷热源加以利用源加以利用。v此此方法方法可可最大限度的利用地下人防建筑最大限度的利用地下人防建筑内内空空气气
2、冬暖夏凉的特点冬暖夏凉的特点 ，既既能够能够避免空避免空气气源源热泵在冬在冬、夏季制夏季制热、制冷量大幅度衰制冷量大幅度衰减减 的缺陷的缺陷，又能又能够够有效利用土壤有效利用土壤层储存的自然冷存的自然冷、热量量，可以大可以大 大提高大提高热交交换效率效率，提高提高热泵的的 COP值。v因此因此，利用地下人防工程中的空利用地下人防工程中的空气气作作为空空气气源源热泵冷冷热源的方源的方 法法，能能够健康健康、高效的利用高效的利用现有自然有自然资源源，节能意能意义十分十分显著著。第3页，本讲稿共18页2、工作原理、工作原理v2.1地层原始温度的变化特点地层原始温度的变化特点 地下人防工程地下人防工程
3、属于浅埋地下构筑物。浅地层原始温度的变化属于浅埋地下构筑物。浅地层原始温度的变化，主要，主要取决于地层表面温度的变化，为周期性的温度波动，均可以以一定的余取决于地层表面温度的变化，为周期性的温度波动，均可以以一定的余弦函数表示。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深度传递时，会造弦函数表示。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深度传递时，会造成温度波的衰减和延迟。地层可认为是一个半无限大物体，它在周期性成温度波的衰减和延迟。地层可认为是一个半无限大物体，它在周期性温度波的作用下的温度场，如下所示温度波的作用下的温度场，如下所示:求解式求解式(1)得地层在周期性热作用下的温度场得地层在周期性热作用下
4、的温度场:第4页，本讲稿共18页2、工作原理、工作原理 则地层内任一点、则地层内任一点、任一瞬间的温度为任一瞬间的温度为:式中，式中，td 为全年地面平均温度为全年地面平均温度，；Ad 为地面温度的波动振为地面温度的波动振幅，幅，；T为温度波的波动周期，为温度波的波动周期，h；a 地层材料的热扩散率，地层材料的热扩散率，m2/s；t(y,)为任意瞬间地层内任意点的温度，为任意瞬间地层内任意点的温度，。济南市地层原始资料如表济南市地层原始资料如表1所示。由此可计算出埋深所示。由此可计算出埋深 6m 处温度波处温度波的振幅，及每年的最高、最低温度，如表的振幅，及每年的最高、最低温度，如表2所示所示
5、:表1 济南市地层原始资料年地面平均温度/地层原始温度/地面年温度振幅/15.714.83 第5页，本讲稿共18页 当地层构造一定时，温度波的延迟时间只与地层深度值有关。当地层构造一定时，温度波的延迟时间只与地层深度值有关。对一般的土壤地层，深度每增加对一般的土壤地层，深度每增加1m，时间延迟约，时间延迟约560h(23d)。对于埋深为对于埋深为 6m的地下人防工程来说，其周围土壤的温度是由的地下人防工程来说，其周围土壤的温度是由23 6=138d(约约4个月个月)以前的地表温度所决定的。因此，地层以前的地表温度所决定的。因此，地层 温度波的衰减及延迟，为地下人防工程自然能源的应用提供了良温度
6、波的衰减及延迟，为地下人防工程自然能源的应用提供了良 好的冷、热源条件。好的冷、热源条件。2、工作原理、工作原理表2 地下埋深6m处地层温度参数埋深/m温度波振幅/最高温度/最低温度/第6页，本讲稿共18页2、工作原理、工作原理v2.2地下人防工程的蓄热能力地下人防工程的蓄热能力 以冬季为例，利用地下人防工程的空气源热泵在冬季供热运行时，以冬季为例，利用地下人防工程的空气源热泵在冬季供热运行时，其对空气的加热过程为非稳态的传热过程。可以将半无限大物体的导其对空气的加热过程为非稳态的传热过程。可以将半无限大物体的导热模型作为其简化模型来考虑，其数学描述如下热模型作为其简化模型来考虑，其数学描述如
7、下:式中，式中，t0 为地下人防工程初始温度，为地下人防工程初始温度，；tw 为室外空气温度，为室外空气温度，。对式对式(4)引入相似性变量引入相似性变量 ，积分求解得，积分求解得:第7页，本讲稿共18页2、工作原理、工作原理 则地下人防工程在定壁温条件下的温度响应为则地下人防工程在定壁温条件下的温度响应为:由求得的温度响应，可以解出物体中的热流密度由求得的温度响应，可以解出物体中的热流密度:在壁面处，即在壁面处，即 x=0时，热流密度时，热流密度:选取济南市文化西路一段选取济南市文化西路一段200m地下城市人防工程为例，进行计算。地下城市人防工程为例，进行计算。第8页，本讲稿共18页2、工作
8、原理、工作原理 经实验测量，埋深经实验测量，埋深6m处的地下人防工程，建筑壁面平均温度为处的地下人防工程，建筑壁面平均温度为19，假设冬季供热运行时，室外空气温度为，假设冬季供热运行时，室外空气温度为 tw=5，人防工程壁体的，人防工程壁体的热物性参数为热物性参数为=0.81W/(mK)，=1600kg/m3，c=0.84kJ/(kgK)，设计考虑运行时间为，设计考虑运行时间为3个月，个月，=3600 24 60=5.18 106。以上数据代入式。以上数据代入式(8)得得:qw=2.96W/m2 若取空气与地下人防工程壁体的表面对流换热系数为若取空气与地下人防工程壁体的表面对流换热系数为h=5
9、 W/(m2 K)，在此状态下人防工程内的空气温度为，在此状态下人防工程内的空气温度为:ta=tw-qw/h=4.4 200m长地下人防干道，总表面积为长地下人防干道，总表面积为15240m2，在此状态下周围土，在此状态下周围土壤可以提供的总热量为壤可以提供的总热量为:Q=qwA=45.1kW第9页，本讲稿共18页3、实验研究与分析、实验研究与分析v3.1 测试情况介绍测试情况介绍 实验地点实验地点在济南市文化西路一地下城市人防干道在济南市文化西路一地下城市人防干道(简称简称地道地道)，地道断面为半圆拱形，断面积地道断面为半圆拱形，断面积 f 0=410307m2；每米长地道内；每米长地道内
10、表面积表面积 s=7162m2；地道断面周界长度；地道断面周界长度 U=7162m；地道；地道 当量直径当量直径 de=2.12m；中点埋深；中点埋深 y=610m；被覆层为石灰；被覆层为石灰 石砌体。地道内壁用水泥砂浆抹面，地道内无突肋或急剧的断面变石砌体。地道内壁用水泥砂浆抹面，地道内无突肋或急剧的断面变 化或弯曲。地道周围为一般土壤化或弯曲。地道周围为一般土壤，地道在地下水位以上。，地道在地下水位以上。测试时间测试时间为为2006.11.252006.12.3，每天分，每天分 4 个时段个时段 进行，每两小时测量一次并记录实验数据，测试每天从早晨进行，每两小时测量一次并记录实验数据，测试
11、每天从早晨 9:40 开始，到下午开始，到下午15:40结束。结束。第10页，本讲稿共18页3、实验研究与分析、实验研究与分析v3.2 实验结果及分析实验结果及分析 选取保存完好的选取保存完好的200m长地道进行测试。从地道入口起长地道进行测试。从地道入口起，每，每 10m取一个测点，每个测点在地道的上、下壁面及距地道地面取一个测点，每个测点在地道的上、下壁面及距地道地面115 处各测量一次。地道内各参数的变化情况均取同一时刻各天的平均值处各测量一次。地道内各参数的变化情况均取同一时刻各天的平均值 来分析。来分析。地道内空气干球温度随地道长度的变化曲线如图地道内空气干球温度随地道长度的变化曲线
12、如图1所示。所示。图图1地道内空气干球温度随地道长度的变化地道内空气干球温度随地道长度的变化第11页，本讲稿共18页3、实验研究与分析、实验研究与分析 从图从图1可以看出，地道入口处的温度变化比较剧烈，因可以看出，地道入口处的温度变化比较剧烈，因 为在地道入口处，随着测试人员的进入，入口处受室外空气为在地道入口处，随着测试人员的进入，入口处受室外空气 温度的影响比较大，随着室外空气温度的升高，其温度也随温度的影响比较大，随着室外空气温度的升高，其温度也随 之升高。在无外界影响的情况下，在不同时段，地道内空气之升高。在无外界影响的情况下，在不同时段，地道内空气 温度的变化趋势大致相同温度的变化趋
13、势大致相同，温度变化不大，温度变化不大，基本上维持在，基本上维持在 18.819.2。这就说明原始状态的地道。这就说明原始状态的地道，在室外平均，在室外平均 气温为气温为5 的情况下，地道内的空气温度保持在的情况下，地道内的空气温度保持在 19左右。左右。在冬季，以地道内空气作为空气源的热泵在冬季，以地道内空气作为空气源的热泵，可有效抑制其制，可有效抑制其制 热量的衰减，大大提高其性能系数热量的衰减，大大提高其性能系数，同时还可省去辅助加热，同时还可省去辅助加热 设备，节能效果显著。设备，节能效果显著。地道内空气湿球温度随地道长度的变化曲线如图地道内空气湿球温度随地道长度的变化曲线如图2所示。
14、所示。第12页，本讲稿共18页 图图2 地道内空气湿球温度随地道长度的变化地道内空气湿球温度随地道长度的变化 从图从图2看出，每天不同时刻湿球温度的变化趋势大致相同，随看出，每天不同时刻湿球温度的变化趋势大致相同，随 地道长度的增加，湿球温度逐渐增大。因为地道深埋在地下，地道地道长度的增加，湿球温度逐渐增大。因为地道深埋在地下，地道 壁面不可避免的出现自然析水，被地道内的空气吸收，使空气的含壁面不可避免的出现自然析水，被地道内的空气吸收，使空气的含 湿量增加，在空气未达到饱和状态时，随长度的增加，空气吸收的湿量增加，在空气未达到饱和状态时，随长度的增加，空气吸收的 水分逐渐增多，含湿量逐渐增大
15、。由图水分逐渐增多，含湿量逐渐增大。由图1及前面的分析知，地道内及前面的分析知，地道内 空气干球温度基本维持恒定，因此在空气干球温度不变的情况下，空气干球温度基本维持恒定，因此在空气干球温度不变的情况下，空气含湿量的增加，必然导致空气的焓值增大，湿球温度逐渐增大。空气含湿量的增加，必然导致空气的焓值增大，湿球温度逐渐增大。3、实验研究与分析、实验研究与分析第13页，本讲稿共18页3、实验研究与分析、实验研究与分析图图3原始状态下地道内风速随地道长度的变化原始状态下地道内风速随地道长度的变化 从图从图3中看出，在地道中看出，在地道 70m处，风速突然增大，这是因为，处，风速突然增大，这是因为，该
16、地道为原来的人防干道，在此处留有与室外大气相通的通风口，该地道为原来的人防干道，在此处留有与室外大气相通的通风口，虽常年不用已封死，但因密封不严，仍留有一定的缝隙，受室外虽常年不用已封死，但因密封不严，仍留有一定的缝隙，受室外 空气流动的影响，造成此处地道内风速增大。地道入口处的风速空气流动的影响，造成此处地道内风速增大。地道入口处的风速 变化主要是因为测量人员进入地道时引起空气流动，使得该处风变化主要是因为测量人员进入地道时引起空气流动，使得该处风 速增大。由测量结果可以看出，原始状态下，地道内的空气流动速增大。由测量结果可以看出，原始状态下，地道内的空气流动 缓慢。缓慢。第14页，本讲稿共
17、18页3、实验研究与分析、实验研究与分析 图图4 地道上壁面温度随地道长度的变化地道上壁面温度随地道长度的变化 图图5 地道地面温度随地道长度的变化地道地面温度随地道长度的变化第15页，本讲稿共18页3、实验研究与分析、实验研究与分析 图图5、图、图6分别为地道上、下壁面温度随地道长度的分别为地道上、下壁面温度随地道长度的 变化曲线，从上图中可以看出，地道上、下表面的温度变化曲线，从上图中可以看出，地道上、下表面的温度 不随测量时间及地道长度发生剧烈变化，基本保持恒定。不随测量时间及地道长度发生剧烈变化，基本保持恒定。这是因为，一般日变化温度波的影响深度只有这是因为，一般日变化温度波的影响深度
18、只有 1.5m左左 右，深度大于右，深度大于1.5m时，可忽略日周期性温度波动的影时，可忽略日周期性温度波动的影 响。因地道上、下表面的埋深在地下响。因地道上、下表面的埋深在地下5m和和7m处，因处，因 此，在测试时间内，其上、下壁温不受日变化温度波的此，在测试时间内，其上、下壁温不受日变化温度波的 影响，保持在影响，保持在 18.619.2之间，这与前面所得的之间，这与前面所得的 计算结果基本上是一致的。计算结果基本上是一致的。第16页，本讲稿共18页4、结语、结语济济南地区南地区,室外空气温度室外空气温度 5、埋深埋深 6m的地下人防的地下人防工程工程，每每100m可提供可提供0.23kW
19、的的热热量量,在建筑物需要在建筑物需要相同相同热热量的前提下量的前提下,热泵热泵提供的提供的热热量减少量减少,风风机的机的容量减小容量减小,耗耗电电量减小。量减小。利用地下人防工程中的空利用地下人防工程中的空气作气作为为空气源空气源热泵热泵冷冷热热源源的方法的方法,健康、高效的利健康、高效的利用了用了现现有的自然有的自然资资源源,节节能意能意义显义显著。著。通通过对实验过对实验数据的分数据的分析和比析和比较较,可以看出可以看出:在冬季在冬季,地道内的空地道内的空气温度保持在气温度保持在18.819.2 之之间间,与室与室外空气温度相比外空气温度相比,作作为为空气源空气源热泵热泵的的热热源源，能能够够有效抑制有效抑制热泵热泵冬季冬季制制热热量的衰减量的衰减,大大提大大提高高热泵热泵的性能系数。的性能系数。我国有极其丰富地道我国有极其丰富地道资资源源，为为地下人防工地下人防工程自然能源的高效利程自然能源的高效利用提供了先决条件用提供了先决条件,利用其中空气作利用其中空气作为为空空气源气源热泵热泵的冷的冷热热源源,克服了以前地下人防克服了以前地下人防工程利用中的弊端工程利用中的弊端,对环对环境无境无污污染。染。第17页，本讲稿共18页第18页，本讲稿共18页