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济南地下人防工程中自然能源的高效利用 刘卉 济南地下人防工程中自然能源的高效利用 1、技术概述 济南提出一种人防工程中自然能源的新的利用方式，不同于以 往对人防建筑内空气直接利用的做法，而是将人防建筑中的空 气作为热泵系统的冷热源加以利用。 此方法可最大限度的利用地下人防建筑内空气冬暖夏凉的特点 ，既能够避免空气源热泵在冬、夏季制热、制冷量大幅度衰减 的缺陷，又能够有效利用土壤层储存的自然冷、热量，可以大 大提高热交换效率，提高热泵的 COP值。 因此，利用地下人防工程中的空气作为空气源热泵冷热源的方 法，能够健康、高效的利用现有自然资源，节能意义十分显著。 2、工作原理 2.1地层原始温度的变化特点 地下人防工程属于浅埋地下构筑物。浅地层原始温度的变化 ，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 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 温度波的作用下的温度场，如下所示: 求解式(1)得地层在周期性热作用下的温度场: 2、工作原理 则地层内任一点、 任一瞬间的温度为: 式中， td 为全年地面平均温度 ，℃； Ad 为地面温度的波动振 幅，℃；T为温度波的波动周期，h；a 地层材料的热扩散率，m2/s； t ( y ,τ)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1所示。由此可计算出埋深 6m 处温度波 的振幅，及每年的最高、最低温度，如表2所示: 2、工作原理 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1m，时间延迟约560h (23d)。 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23 × 6 = 138d(约4个月)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 好的冷、热源条件。 2、工作原理 2.2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， 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: 式中，t0 为地下人防工程初始温度，℃；tw 为室外空气温度，℃。 对式(4)引入相似性变量 ，积分求解得: 2、工作原理 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: 在壁面处，即 x = 0时，热流密度: 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。 2、工作原理 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19 ℃，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 热物性参数为λ=0.81W/(m·K)，ρ=1600kg/m3，c=0.84kJ/ (kg·K)，设计考虑运行时间为3个月，τ= 3600× 24× 60 = 5.18× 106。以上数据代入式(8)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h = 5 W /(m2· K)，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15240m2，在此状态下周围土 壤可以提供的总热量为: Q = qwA = 45. 1kW 3、实验研究与分析 3.1 测试情况介绍 实验地点在济南市文化西路一地下城市人防干道(简称地道)， 地道断面为半圆拱形，断面积 f 0 = 410307m2；每米长地道内 表面积 s = 7162m2；地道断面周界长度 U = 7162m；地道 当量直径 de = 2. 12m；中点埋深 y = 610m；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 化或弯曲。地道周围为一般土壤 ，地道在地下水位以上。 测试时间为2006. 11.25～2