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1、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.试验探讨与分析 4.结论结论 themegallery 1、技术概述、技术概述济济南提出一南提出一种种人防工程中自然能源的新的利用方式，不同于以人防工程中自然能源的新的利用方式，不同于以 往往对对人防建筑人防建筑内内空空气气干脆利用的做法，而是干脆利用的做法，而是将将人防建筑中的空人防建筑中的空 气气作作为热泵为热泵系系统统的冷的冷热热源加以利用。源加以利用。此方法可最大限度的利用地下人防建筑此方法可最大限度的利用地下人防建筑内内空空气气冬暖夏凉的特点冬暖夏凉的特点 ，既既
2、能能够够避避开开空空气气源源热泵热泵在冬、夏季制在冬、夏季制热热、制冷量大幅度衰、制冷量大幅度衰减减 的缺陷，又能的缺陷，又能够够有效利用土壤有效利用土壤层储层储存的自然冷、存的自然冷、热热量，可以大量，可以大 大提高大提高热热交交换换效率，提高效率，提高热泵热泵的的 COP值值。因此，利用地下人防工程中的空因此，利用地下人防工程中的空气气作作为为空空气气源源热泵热泵冷冷热热源的方源的方 法，能法，能够够健康、高效的利用健康、高效的利用现现有自然有自然资资源，源，节节能意能意义义特特别显别显著。著。themegallery 2、工作原理、工作原理v2.1地层原始温度的变更特点地层原始温度的变更
3、特点v 地下人防工程属于浅埋地下构筑物。浅地层原始温度的地下人防工程属于浅埋地下构筑物。浅地层原始温度的变更变更，主要，主要v取决于地层表面温度的变更，为周期性的温度波动，均可取决于地层表面温度的变更，为周期性的温度波动，均可以以确定的余以以确定的余v弦函数表示。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深度弦函数表示。由于地层的蓄热作用，温度波在向地层深度传递时，会造传递时，会造v成温度波的衰减和延迟。地层可认为是一个半无限大物体，成温度波的衰减和延迟。地层可认为是一个半无限大物体，它在周期性它在周期性v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:v 求解式求解式(1)得地层在
4、周期性热作用下的温度场得地层在周期性热作用下的温度场:themegallery 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,)为随意瞬间地层内随意点的温度，为随意瞬间地层内随意点的温度，。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
5、表的振幅，及每年的最高、最低温度，如表2所示所示:themegallery 当地层构造确定时，温度波的延迟时间只与地层深度值有关。当地层构造确定时，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，其四周土壤的温度是由的地下人防工程来说，其四周土壤的温度是由23 6=138d(约约4个月个月)以前的地表温度所确定的。因此，地层以前的地表温度所确定的。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供应了良温度波的衰减及延迟，为地下人防工程自然能源的
6、应用供应了良 好的冷、热源条件。好的冷、热源条件。2、工作原理、工作原理 themegallery 2、工作原理、工作原理v2.2地下人防工程的蓄热实力地下人防工程的蓄热实力v v 以冬季为例，利用地下人防工程的空气源热泵在冬季供以冬季为例，利用地下人防工程的空气源热泵在冬季供热运行时，热运行时，v其对空气的加热过程为非稳态的传热过程。可以将半无限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大物体的导v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，其数学描述如下:v v 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 为室外空为
7、室外空气温度，气温度，。v v 对式对式(4)引入相像性变量引入相像性变量 ，积分求解得，积分求解得:themegallery 2、工作原理、工作原理 则则地下人防工程在定壁温条件下的温度响地下人防工程在定壁温条件下的温度响应为应为:由求得的温度响由求得的温度响应应，可以解出物体中的可以解出物体中的热热流密度流密度:在壁面在壁面处处，即即 x=0时时，热热流密度流密度:选选取取济济南市文化西路一段南市文化西路一段200m地下城市人防工程地下城市人防工程为为例例，进进行行计计算。算。themegallery 2、工作原理、工作原理 经试验测量，埋深经试验测量，埋深6m处的地下人防工程，建筑壁面平
8、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，人防工程壁体的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 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
9、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，在此状态下四周，在此状态下四周土土壤可以供应的总热量为壤可以供应的总热量为:Q=qwA=45.1kW themegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析v3.1 测试状况介绍测试状况介绍v v 试验地点在济南市文化西路一地下城市人防干道试验地点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)，v 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v 表面积表面积 s=7162m2；地道断面周界长度；地道断面周界长
10、度 U=7162m；地道；地道v 当量直径当量直径 de=2.12m；中点埋深；中点埋深 y=610m；被；被覆层为石灰覆层为石灰v 石砌体。地道内壁用水泥砂浆抹面，地道内无突肋或急石砌体。地道内壁用水泥砂浆抹面，地道内无突肋或急剧的断面变剧的断面变v 化或弯曲。地道四周为一般土壤化或弯曲。地道四周为一般土壤，地道在地下水位以，地道在地下水位以上。上。v v 测试时间为测试时间为2006.11.252006.12.3，每天，每天分分 4 个时段个时段v 进行，每两小时测量一次并记录试验数据，测试每天从进行，每两小时测量一次并记录试验数据，测试每天从早晨早晨 9:40v 起先，到下午起先，到下午
11、15:40结束。结束。v themegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析v3.2 试验结果及分析试验结果及分析v 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v 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115v 处各测量一次。地道内各参数的变更状况均取同一时刻各天的平均处各测量一次。地道内各参数的变更状况均取同一时刻各天的平均值值v 来分析。来分析。v 地道内空气干球温度随地道长度的变更曲线如图地道内空气干球温度随地道长度的变更曲线如图1所示。所示。v v v
12、 图图1地道内空气干球温度随地道长度的变地道内空气干球温度随地道长度的变更更 themegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析 从图从图1可以看出，地道入口处的温度变更比较猛烈，因可以看出，地道入口处的温度变更比较猛烈，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上升，其温度也随温度的影响比较大，随着室外空气温度的上升，其温度也随 之上升。在无外界影响的状况下，在不同时段，地道内空气之上升。在无外界影响的状况下，在不同时段，地道内空气 温度的变更趋势大致相同温度的变更趋势大致相同，
13、温度变更不大，温度变更不大，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 的状况下，地道内的空气温度保持在的状况下，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，同时还可省去协助加热，同时还可省去协助加热 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更曲线如图地道内空气湿球温度随地道长度的变更曲线如图2所示。所示。the
14、megallery v v v图图2 地道内空气湿球温度随地道地道内空气湿球温度随地道长长度的度的变变更更v 从从图图2看出，每天不同看出，每天不同时时刻湿球温度的刻湿球温度的变变更更趋势趋势大致相同，随大致相同，随v 地道地道长长度的增加，湿球温度度的增加，湿球温度渐渐渐渐增大。因增大。因为为地道深埋在地下，地道地道深埋在地下，地道v 壁面不行避开的出壁面不行避开的出现现自然析水，被地道内的空气吸取，使空气的含自然析水，被地道内的空气吸取，使空气的含v 湿量增加，在空气未达到湿量增加，在空气未达到饱饱和状和状态时态时，随，随长长度的增加，空气吸取的度的增加，空气吸取的v 水分水分渐渐渐渐增多
15、，含湿量增多，含湿量渐渐渐渐增大。由增大。由图图1及前面的分析知，地道内及前面的分析知，地道内v 空气干球温度基本空气干球温度基本维维持恒定，因此在空气干球温度不持恒定，因此在空气干球温度不变变的状况下，的状况下，v 空气含湿量的增加，必定空气含湿量的增加，必定导导致空气的致空气的焓值焓值增大，湿球温度增大，湿球温度渐渐渐渐增大。增大。3、试验探讨与分析、试验探讨与分析 themegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析图图3原始状原始状态态下地道内下地道内风风速随地道速随地道长长度的度的变变更更 从从图图3中看出，在地道中看出，在地道 70m处处，风风速突然增大，速突然增大，这这是
16、因是因为为，该该地道地道为为原来的人防干道，在此原来的人防干道，在此处处留有与室外大气相通留有与室外大气相通的通的通风风口，口，虽虽常年不用已封死，但因密封不常年不用已封死，但因密封不严严，仍留有确定的，仍留有确定的缝缝隙，隙，受室外受室外 空气流淌的影响，造成此空气流淌的影响，造成此处处地道内地道内风风速增大。地道入口速增大。地道入口处处的的风风速速 变变更主要是因更主要是因为测为测量人量人员进员进入地道入地道时时引起空气流淌，使引起空气流淌，使得得该处风该处风 速增大。由速增大。由测测量量结结果可以看出，原始状果可以看出，原始状态态下，地道内的下，地道内的空气流淌空气流淌 缓缓慢。慢。th
17、emegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析 图图4 地道上壁面温度随地道长度的变更地道上壁面温度随地道长度的变更 图图5 地道地面温度随地道长度的变更地道地面温度随地道长度的变更 themegallery 3、试验探讨与分析、试验探讨与分析 图图5、图、图6分别为地道上、下壁面温度随地道长分别为地道上、下壁面温度随地道长度的度的 变更曲线，从上图中可以看出，地道上、下表面的变更曲线，从上图中可以看出，地道上、下表面的温度温度 不随测量时间及地道长度发生猛烈变更，基本保持不随测量时间及地道长度发生猛烈变更，基本保持恒定。恒定。这是因为，一般日变更温度波的影响深度只有这是因为，一般日
18、变更温度波的影响深度只有 1.5m左左 右，深度大于右，深度大于1.5m时，可忽视日周期性温度波动的时，可忽视日周期性温度波动的影影 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，处，因因 此，在测试时间内，其上、下壁温不受日变更温度此，在测试时间内，其上、下壁温不受日变更温度波的波的 影响，保持在影响，保持在 18.619.2之间，这与前面所之间，这与前面所得的得的 计算结果基本上是一样的。计算结果基本上是一样的。themegallery 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100
19、m可供可供应应0.23kW的的热热量量,在建筑物在建筑物须须要要相同相同热热量的前提下量的前提下,热泵热泵供供应应的的热热量削减量削减,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。通通过对试验过对试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供用供应应了先决条件了先决条件,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。themegallery themegallery