地下工程地埋管水箱并聯水環熱泵空調系統設計與控溫方案

楊 靜，曹曉玲，袁艷平，曾 超，孫亮亮

?

地下工程地埋管水箱并聯水環熱泵空調系統設計與控溫方案

楊 靜，曹曉玲，袁艷平※，曾 超，孫亮亮

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

基于紅外偽裝和節能的雙重需求，該文提出一種應用于地下工程的地埋管水箱并聯水環熱泵系統。在對該系統理論分析的基礎上，提出階段控制和全年控制2種室內溫度控制方案。以北京某地下工程為例，借助TRNSYS軟件對該系統進行了設計與分析。結果表明，采用階段控制方案在過渡季可以改善人體的熱舒適，采用不同溫度控制方案對平時間歇運行的地埋管系統影響不大，熱泵系統在40 a周期內均能夠保證空調負荷需求。研究對象的平時空調冷負荷遠大于熱負荷，戰時均為制冷模式，其峰值冷負荷約為平時的3.15倍。最后以耗水量和占地面積為指標，對比分析了“地埋管+靜態水箱”和“地埋管+動態水箱”2種冷熱源方案，認為該工程采用“地埋管+動態水箱”復合冷熱源方案更優。該研究為地埋管水箱并聯水環熱泵系統在地下人防工程應用提供了理論基礎。

熱泵；溫度；濕度；地下工程；紅外偽裝；地埋管；水箱

0 引 言

人防工程是戰時掩蔽人員、物質以及保護人民生命財產安全的重要場所，也是實施人民防空最重要的物質基礎[1]，作為國家軍事力量的重要組成部分，在未來的信息化戰爭中，其作用將大大加強，而良好的內部熱濕環境是防護工程發揮作用的重要保障[2]。人防工程往往處于一定深度的地下空間，基本不存在太陽輻射和空氣滲透，且平時與戰時的差異很大[3]。目前地下工程中大多采用全空氣集中式空調系統[4]，空調負荷是按戰時的最大負荷設計，而平時工程大多處于部分負荷運行狀態，實際的冷負荷和熱濕比大大低于設計值，使用時不能滿足不同區域的溫濕度要求，也不能兼顧不同階段的空調要求，還造成了大量能量浪費。

在冷凝熱的處理方面，現有人防工程的空調冷卻系統大多采用室外冷卻塔和室內冷卻水庫[5]，室外冷卻塔運行時與周圍環境溫差較大，往往引起可見光暴露，是敵方高精度武器打擊的靶子，一旦冷卻塔被摧毀，則內部空氣溫度保障系統將無法正常運行，而室內冷卻水庫占地面積大，在使用的過程中溫度不斷上升，需要頻繁的大量換水，大大降低了空調機組運行的效率。針對冷卻塔可見光易暴露不利于偽裝的特點，學者們紛紛提出了解決方法，包括冷卻塔入地模式[6-9]以及冷卻塔替代模式[10-16]。冷卻塔入地模式雖然解決了冷卻塔可見光暴露的問題，對工程的偽裝起到了一定作用，但是需要另外引入空氣作為冷卻塔的排風，這就會使得風道尺寸設計增大，風機運行成本增加，從而造成系統不節能。冷卻塔替代模式雖對工程的紅外偽裝有一定的加強，但是難以解決不同控制區域冷熱負荷不均的問題。針對該問題，耿世彬等[17]提出將水環熱泵系統應用到地下工程中，并以地下水箱+風冷熱泵機組作為它的冷凝熱處理方式，從理論上論證了該系統的可行性。

綜上分析，針對紅外偽裝問題，冷卻塔替代方案是一種有效的解決方式，但現有人防工程的空調系統大多無法同時兼顧紅外偽裝和節能要求。本文在前人研究的基礎上，基于紅外偽裝和節能的雙重需求，提出一種應用于地下工程的地埋管水箱并聯水環熱泵系統，從理論上分析了該系統應用在地下人防工程中的特點，并以北京某一地下工程為例，借助TRNSYS軟件計算了平時與戰時建筑的空調負荷，對地埋管的運行換熱性能進行了模擬分析，最后以耗水量和占地面積為指標，對“地埋管+靜態水箱”和“地埋管+動態水箱”2種冷熱源方案進行選擇。

1 地下工程地埋管水箱并聯水環熱泵系統的構成

1.1 系統的構成

系統采用除濕型水環熱泵機組[18]作為空調末端，采用“地埋管+水箱”并聯作為水環熱泵空調系統的復合冷卻方式。平時用地埋管與土壤換熱滿足空調負荷需求，戰時增加水箱換熱滿足多余空調負荷需求。其中，復合冷熱源包含“地埋管+靜態水箱”和“地埋管+動態水箱”2種配置模式，如圖1所示。

注： 1-4.閥門 5.地埋管換熱器 6.儲水箱 7.水/空氣熱泵機組 8.循環水泵 9.膨脹水箱

Note: 1-4.Valves 5.Ground heat exchanger 6.Water tank 7.Water & air heat pump units 8.Circulating pump 9.Expansion tank

a. 地埋管+靜態水箱

a. Buried pipe & static tank

注： 1-6.閥門 7.地埋管換熱器 8.換熱水箱 9.換熱盤管 10.水/空氣熱泵機組 11.循環水泵 12.膨脹水箱

Note: 1-6.Valves 7.Ground heat exchanger 8. Heat exchange tank 9. Heat exchanger coil 10.Water & air heat pump units 11.Circulating pump 12.Expansion tan

b. 地埋管+動態水箱

b. Buried pipe & dynamic tank

圖1 地埋管水箱并聯水環熱泵系統結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of water loop heat pump system with parallel buried pipe and water tank

1）地埋管+靜態水箱

如圖1a所示，在大體積水箱或水庫內儲存低溫冷水。進入戰備階段后，同時開啟閥門1、2、3、4，來自末端的高溫循環水一部分進入地埋管與土壤換熱，一部分進入儲水箱置換水箱內的冷水，在出口混合后進入熱泵機組與冷凝器換熱。該方案主要利用低溫水的顯冷量來緩解戰時空調負荷，蓄冷量的大小取決于儲水箱的容積和蓄冷溫差的大小。蓄冷溫差是指空調循環水最高溫度與冷水最低溫度之差。水箱可多面與工程內的土壤、巖石以及被覆接觸，初始水溫接近地溫，因而靜態水箱的蓄冷溫差相對較大，單位體積蓄冷量高，耗水量相對較小。但該方案在使用過程中水箱存在熱量堆積問題，需要通過換水來維持系統的正常運行，容易造成水資源浪費，適用于附近水資源匱乏且平時和戰時的負荷差較小的工程。

2）地埋管+動態水箱

如圖1b所示，在動態水箱內設置換熱盤管，盤管內通空調循環水，上進下出，水箱內通流動的低溫冷水，下進上出，2種換熱介質互為逆流。進入戰備階段后，同時開啟閥門3、4、5、6，室外冷水經閥門5進入水箱，與盤管換熱升溫后經閥門6流出；循環水經閥門3進入盤管換熱器，將熱量釋放給冷水后經閥門4流出。該方案最大的優點在于流動的冷水及時帶走了熱量，不存在熱量堆積問題，盤管內外介質之間存在較大的換熱溫差，有利于盤管換熱[19]，可以實現持續供冷。其中，冷水來源廣泛，可以是工程附近的地下水、地下暗河，也可以是與建筑臨近的深層地表水。當其進入換熱水箱完成供冷后，再被回送到原有水域，不會造成水資源浪費。由于室內循環管網采用閉式循環，與室外供水管網不會產生交叉污染。該方案適用于附近水資源相對充足的工程。

1.2 系統在地下工程的應用特點

1）可自主調節，實現節能。水環熱泵空調系統中各個熱泵機組獨立運行，可同時實現供冷與供熱，并通過水環路將熱區的冷量轉移到冷區，避免了末端設備冷熱量的抵消，節能優勢明顯[20-22]。

2）增強隱蔽性，便于維護。整個系統幾乎無外置設備，既增強了人防工程的偽裝效果，戰時被摧毀的可能性較小，同時維護人員在工程內部即可對系統進行維護，大大提高了人防工程的安全性。

3）節省地下空間。由于系統無需機房，相比單一的水庫吸收余熱模式，戰時地埋管系統的聯合應用可降低水庫的裝機容量，減小占地面積。

4）提高能源保障能力。整個系統僅循環水泵和熱泵機組驅動耗能，無冷卻塔和制冷設備的耗能，在一定程度上緩解了備用電站的壓力，提高了人防工程戰時的能源保障能力。

2 空調系統設計與分析

2.1 溫控方案的提出

文獻[23]中，平時地下商場的溫濕度標準為夏季溫度≥28 ℃，相對濕度≥75%，冬季溫度≤16 ℃，相對濕度≤30%，按照該標準設計的工程，有可能造成夏季進工程要穿衣、冬季進工程要脫衣的現象。于是，筆者基于文獻[24]對人體熱舒適等級的劃分提出階段控制和全年控制2種室內溫度控制方案。2種控制方案下室內溫度t的取值如表1所示。2種溫控方案采用相同的相對濕度，夏季相對濕度為60%，過渡季相對濕度為40%～60%，冬季相對濕度為40%。

表1 室內溫度參數

全年控制方案是指全年采取相同的溫度控制方式，只要室內溫度低于18 ℃則需供熱，高于28 ℃則需制冷。階段控制方案則是根據季節的不通劃分不同的溫度控制范圍，低于范圍溫度則需供熱，高于范圍溫度則需制冷。

2.2 建筑概況

該工程為北京某一地下商場其中的一個防護單元，地下空間凈高為4 m，人防建筑面積為1 784 m2，人防使用面積1 440 m2，人防掩蔽面積1 260 m2。作為二等人員掩蔽部，戰時人員掩蔽密度為每人1 m2，建筑平面如圖2所示。

A. 商鋪 B.發電機房 C.男干廁 D.女干廁 E.防化器材儲藏室 F.防化通信值班室 G.排風機房 H.進風機房 I.走道

2.3 仿真計算模型及參數

2.3.1 TRNSYS仿真模型

本文采用TRNSYS軟件計算全年動態負荷，通過TRNBuild建立建筑模型。TRNBuild將一個建筑分為若干個熱區，每個熱區可以設置不同的室內控制參數。若房間在同一樓層，房間所處朝向為同一朝向，室內設計參數也相同，此時就可以將這些房間設置為同一個熱區。因地下建筑的圍護結構傳熱不受朝向影響，因此，本文根據房間使用功能將建筑劃分為7個分區，包含發電機房136.3 m2、商鋪758.2 m2、戰時男干廁/平時商鋪39.46 m2、戰時女干廁/平時商鋪35.68 m2、走道496.3 m2、防護器材儲藏室8.2 m2、防化通信值班室8.1 m2。建模完成后，TRNBuild會產生一個后綴為BUI的文件，此文件包含建筑模型的所有信息，在TRNSYS仿真軟件上，通過部件Type56（Building）讀取BUI文件，即可獲得建筑模型的輸入和輸出變量列表，建立仿真平臺如圖3所示。

圖3 仿真計算平臺

2.3.2 負荷計算參數

1）條件假設

由于工程只通過少量的出入口和通風豎井與外界連通，圍護結構外表面幾乎全部與土壤或巖石接觸，工程內的小氣候幾乎不受太陽輻射和室外氣溫變化的影響，工程內的余熱、余濕主要是由室外引入的新風、房間內的人員和各種電器設備產生，因此假定與土壤接觸的圍護結構為建筑的定溫邊界，其溫度為土壤的全年平均溫度。

2）模擬參數設置

商場建筑空調系統日運行時間為08:00－22:00，照明時間、人員逐時在室率、電器設備逐時使用率及新風運行情況參考文獻[25]設置。圍護結構散濕量取經驗值0.5 g/(h·m2)，人為散濕量每人取30 g/h，發電機房選用國產柴油發電機組，其發電功率為330 kW，發電散熱量約為61.59 kW，其他室內參數如表2所示，室外參數采用北京典型年（EPW格式）氣象數據。

表2 室內設計參數[23,25]

2.4 平時負荷模擬結果與分析

以1月1日00:00為起始時間，通過模擬計算，得到平時地下人防工程的峰值負荷及全年（8 760 h）累計負荷，如表3所示。由表3可知，2種溫控方案下的峰值冷負荷基本相同，峰值熱負荷僅相差1.56 kW。全年溫度控制方案下的累計冷負荷是累計熱負荷的3.13倍，階段溫度控制方案下的累計冷負荷是累計熱負荷的3.48倍，階段溫度控制方案下的累計冷負荷相比全年溫度控制方案高出13.25%。由此可以看出，不同的溫度控制方案下的空調冷熱負荷差異較大。

表3 平時負荷模擬結果

根據模擬情況，2種溫控方案下的室內溫度變化情況僅在過渡季節（2 160～3 624、5 832～7 296 h）出現了明顯的差異，以商鋪為例，全年溫度控制方案下室內溫度的最大波動范圍為0.8～3.6 ℃，階段溫度控制方案下室內溫度的最大波動范圍為0.4～2.2 ℃，前者大于后者，相對來說更容易造成人員感覺上的不舒適，特別是全天在室內的工作人員。經統計，全年溫度控制方案下的室內外溫差在87%的時間內是高于階段溫度控制方案的，對室外人員來說，當其從室外進入室內感受到的熱差異也相對比較明顯。因此認為采用階段溫度控制方案對人體的熱舒適環境有改善作用。

2.5 地埋管運行分析

根據負荷計算結果，平時建筑全年的累計冷負荷遠遠大于累計熱負荷，若僅采用地埋管換熱作為空調系統的冷熱源，則存在向土壤的排熱量與吸熱量不平衡的問題。由于北京的熱工分區屬于嚴寒A區[25]，土壤初始溫度比較低，故而排熱量大于取熱量并不意味著要添加輔助排熱設備，只要能保證在整個生命周期內地埋管的出口水溫不超過機組的正常使用范圍，則認為方案可行。

2.5.1 地埋管模擬驗證

本文采用TRNSYS軟件模擬地埋管系統的換熱性能。為驗證模擬的正確性，參照文獻[26]中的試驗數據對地埋管的單位管長換熱量進行數值模擬，并與試驗結果進行對比分析，結果如圖4所示。從圖4可以看出，模擬所得結果與試驗結果僅在初始階段存在較大的偏差，但隨著運行時間的增長，地埋管單位管長換熱量逐漸趨于穩定，兩者的吻合程度也越來越高。在運行90 min后，兩者的相對誤差基本控制在5%以內，造成誤差的可能原因有：1）試驗裝置系統受氣候條件等因素影響較大；2）軟件模型中的換熱熱流相對比較穩定；3）試驗測量裝置本身存在誤差等。由于實際地埋管運行時間會很長，而模擬結果與試驗結果在短時間內已經吻合較好，從而驗證了該數值計算模型的正確性。

圖4 地埋管試驗與模擬結果對比

2.5.2 地埋管設計

1）條件假定

地埋管的設計計算過程中：①假設巖土體是均勻的，而且在整個傳熱過程中巖土的熱物性不變；②忽略巖土層中水分遷移的影響；③忽略U形管管壁與回填材料、回填材料與巖土體之間的接觸熱阻；④忽略地表溫度波動及埋管深度對巖土溫度的影響，認為巖土溫度均勻一致，初始溫度為當地深度區域內土壤的年平均溫度；⑤管內初始溫度定為20 ℃，初始流速為0.5 m/s；⑥鉆井間距足夠大，忽略鉆井與鉆井之間的傳熱影響；⑦忽略短期脈沖負荷所引起的附加熱阻。

2）設計參數

選用外徑d=32 mm、內徑d=25 mm的高密度聚乙烯管作為埋管材料，其導熱系數為λ=0.46 W/(m·K)。埋管形式采用單U形式，埋管深度為=100 m，埋管間距=7 m，鉆孔孔徑為=150 mm，回填材料采用含有10%膨潤土、90% SiO2沙子的混合物，導熱系數為λ=2 W/(m·K)；土壤選擇致密沙土（含水率5%），導熱系數為λ=2.2 W/(m·K)，擴散率取=1.4×10-6m2/s，體積比熱容c=2 200 kJ/(m3·K)。

3）鉆孔長度計算

末端選用麥克維爾分體式水源熱泵機組，機組正常制冷進水溫度范圍為13～40 ℃，機組正常制熱進水溫度范圍10～35 ℃，其平均制冷性能系數為4.04，平均制熱系數為4.39。參照文獻[27]推薦的鉆孔長度計算方法，得到鉆孔長度為2 182 m，鉆孔個數取22。在末端供回水溫差為5 ℃時，環路設計流量為31.59 m3/h，對應的孔內流速為0.81 m/s。通過校核計算，雷諾數為20 193，大于4 000，為紊流狀態，合乎設計條件。

2.5.3 地埋管模擬結果分析

由于地下商場的空調系統日運行時間為8:00－22:00，所以平時地埋管系統處于間歇運行狀態。本文通過所選機組的平均制冷系數和平均制熱系數將空調負荷與水環路進行耦合，模擬得到系統運行40 a（生命周期）地埋管的最高和最低出口水溫，如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著運行年限的增加，地埋管的最高和最低出口水溫均在不斷升高，但升高的幅度在不斷減緩，最后逐漸趨于平穩，主要是因為地埋管換熱器與地下土壤的換熱量隨著運行年限的增加而逐漸增大了。當系統運行至40 a，2種溫度控制方案下的地埋管最高出口水溫分別上升至34.87和35.77 ℃，最低出口水溫分別上升至16.03和16.9 ℃，可見，兩者差距相對較小，當空調系統運行至40 a，地埋管的出口水溫仍在機組的正常進水溫度范圍內，能夠滿足空調負荷需求。

圖5 系統運行40 a地埋管出口水溫

2.6 平時與戰時空調負荷對比分析

根據上述研究可知，階段溫度控制方案下的空調負荷高于全年溫度控制方案，說明采用階段溫度控制方案對能源的需求更大。為減少戰時空調系統對能源的需求，空調系統采用全年溫度控制方案，平時階段為了保證更為舒適的熱環境，空調系統采用階段溫度控制方案。平時與戰時全年（8 760 h）的空調負荷模擬結果如表4所示。

表4 平、戰負荷模擬結果

由表4可知，平時空調系統既需要供冷也需要供熱，雖然供冷時長低于供熱時長，但其峰值冷負荷遠大于峰值熱負荷；戰時空調系統全年處于制冷狀態，其峰值冷負荷約為平時峰值冷負荷的3.15倍。主要原因在于地下建筑的圍護結構具有保溫功能，在冬季，內熱源承擔了部分建筑熱負荷，而夏季內熱源卻增加了建筑冷負荷，所以平時階段的空調負荷有正有負，且夏季的冷負荷遠大于冬季的熱負荷。在戰時，由于人員增多、大功率設備運行，內熱源增大，使得房間的內熱源超過了冬季其他形式的熱負荷，所以全年需要制冷。

3 冷熱源方案的選擇

從現代戰爭的目的、戰爭消耗和政治影響分析來看，現代戰爭的效率越來越高，持續的時間也越來越短。本文假定戰爭持續的時間為5 d，對應最大平時、戰時累計負荷差?ΣQmax=36 356 kWh，出現在5 040～5 160 h。靜態水箱按平時與戰時最大累計負荷差設計，動態水箱按平時與戰時最大負荷差計算。假定靜態水箱的初始水溫和動態水箱的進口水溫均為20 ℃，靜態水箱蓄冷溫差為15 ℃，動態水箱設計出口水溫為25 ℃，換熱盤管設計進、出口水溫為40和30 ℃，不考慮熱損失。根據能量守恒定律，計算得到地埋管+靜態水箱方案的耗水量共2 084 m3，即17.37 m3/h，若地下工程能夠容納的水箱容積為200 m3，則需換水至少11次；地埋管+動態水箱方案的耗水量為46.84 m3/h，所需水箱容積約22.9 m3。

兩者相比，靜態水箱的耗水量小，但占地面積大，運行時需頻繁大量地換水，并且在使用過程中存在熱堆積現象，導致水箱內流體溫度不斷上升，不利于戰時空調系統長時間運行；動態水箱耗水量大，但占地面積小，供冷相對穩定。根據建筑平面圖2來看，工程內無可用空間容納大體積的靜態水箱，由于北京屬于地下水補給較豐富區，地下水的采用量占總用水量71%[28]，有利于地埋管+動態水箱方案的實施，因此選用地埋管+動態水箱復合冷熱源方案。

4 結 論

基于紅外偽裝和節能雙重需求，本文提出一種應用于地下工程的地埋管水箱并聯水環熱泵系統，從理論上分析了該系統應用在地下人防工程中的特點，并以北京某地下工程為例，借助TRNSYS軟件對該系統進行了設計與分析，得出以下結論：

1）采用階段溫度控制方案在過渡季可以改善人體的熱舒適環境。階段溫度控制方案下的全年累計冷負荷比全年溫度控制方案高出13.25%，在相同的設計條件下，空調系統采用不同的溫控方式對平時間歇運行的地埋管系統影響不大，在40 a周期內均能夠保證負荷需求。

2）在北京地區，平時用作商場的地下人防工程，夏季冷負荷遠大于冬季熱負荷，戰時空調系統均處于制冷模式。本文研究對象的戰時峰值冷負荷為463.44 kW，約為平時峰值冷負荷的3.15倍。

3）地埋管+靜態水箱復合冷熱源方案耗水量小，但占地面積大，容易造成水資源浪費，不利于空調系統長時間運行，可適用于附近水資源匱乏且平戰負荷差相對較小的工程；地埋管+動態水箱復合冷熱源方案耗水量大，但占地面積小，供冷相對穩定，可適用于附近水資源較為充足的工程。因此，在對冷熱源方案進行選擇時，需要綜合考慮工程的使用功能及所在的地理位置。

[1] 馬吉民，朱培根，耿世彬，等. 人民防空工程通風空調設計[M]. 北京：中國計劃出版社，2006.

[2] 茅靳豐，李永，耿世彬，等. 防護工程內部熱環境保障的研究進展[J]. 暖通空調，2012，42(9)：6－12.

Mao Jinfeng, Li Yong, Geng Shibin, et al. Research progress of thermal environment inside protection works[J]. HVAC, 2012, 42(9): 6－12. (in Chinese with English abstract)

[3] 耿世彬，李永，張華，等. 除濕空調機組與水環熱泵機組聯合空氣環境保障模式在地下工程中的運用探討[J]. 制冷與空調，2010，10(1)：94－98.

Geng Shibin, Li Yong, Zhang Hua, et al. Discussion on the combined air environment protection mode of dehumidifying & air-conditioning unit and WLHP unit applied to ungrounded engineering[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2010, 10(1): 94－98. (in Chinese with English abstract)

[4] 繆小平，茅靳豐，羅繼杰，等. 半集中式空調系統在指揮防護工程中的應用分析[J]. 防護工程，2004，26(2)：49－53.

[5] 湯紅峰. 地源熱泵水平埋管技術在人防工程中的應用研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2009.

Tang Hongfeng. Applied Research of Ground Source Heat Pump Technology with Horizontal Heat Exchanger in Civil Air Defense Project[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[6] 周滌生，李祥麟. 地下冷卻塔在外灘觀光隧道中的應用[J]. 上海建設科技，2002(3)：20－21.

[7] 馮爽. 地下式冷卻塔設計實例及其發展前景[J]. 地下工程與隧道，2004(3)：46－47.

[8] 何葉從. 地鐵專用間接蒸發冷卻器研究[D]. 重慶：重慶大學，2009.

He Yecong. Study on the Indirect Evaporative Cooler for Metro[D]. Chongqing: Chongqing University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[9] 王晉生，劉文杰，蔡浩，等. 地下蓄冷防護型冷卻塔[J]. 制冷與空調，2010，24(5)：1－3.

Wang Jinsheng, Liu Wenjie, Cai Hao, et al. Underground thermal storage defensive cooling tower[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2010, 24(5): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[10] 堯勇. 蒸發式冷凝器在人防工程中的應用研究[D]. 南京：解放軍理工大學，2004.

Yao Yong. Applied Research of Evaporative Condenser in Civil air Defense Project[D]. Nanjing: PLA University of Science and Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊盛旭，李刻銘，吳茂杰，等. 蒸發式冷凝器在人防工程中的應用[J]. 建筑熱能通風空調，2005，24(1)：48－50.

Yang Shengxu, Li Keming, Wu Maojie, et al. Application of evaporative condenser in civil air defense works[J]. Building Energy & Environment, 2005, 24(1): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[12] 朱志平. 調溫除濕機調溫特性研究[D]. 南京：解放軍理工大學，2007.

Zhu Zhiping. Study on Temperature Control Characteristic of Temperature Regulating Dehumidifier[D]. Nanjing: PLA University of Science and Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉文杰. 人防工程冷凝熱處理模式及相關設備研究[D]. 南京：解放軍理工大學，2009.

Liu Wenjie. Research of Condensation Heat Treatment Mode & Related Equipment in Civil Air Defense Project[D]. Nanjing: PLA University of Science and Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[14] 郭學森. 利用蒸發冷卻技術的調溫除濕系統研究[D]. 南京：解放軍理工大學，2010.

Guo Xuesen. Study on Temperature and Dehumidification Control System Using Evaporative Cooling Technology[D]. Nanjing: PLA University of Science and Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[15] 張華，茅靳豐，李永. 人防工程地源除濕空調系統的應用分析[J]. 制冷與空調，2010，24(5)：30－34.

Zhang Hua, Mao Jinfeng, Li Yong. Research of ground source dehumidifying & air-condition system in civil engineering[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2010, 24(5): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[16] 侯普民，茅靳豐，陳飛，等. 防護工程相變型水庫方案應用及蓄熱特性研究[J]. 制冷學報，2016，37(4)：95－100.

Hou Pumin, Mao Jinfeng, Chen Fei, et al. Research on application schemes and thermal storage characteristics of phase change reservoir of protective engineering[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 37(4): 95－100. (in Chinese with English abstract)

[17] 耿世彬，李永，韓旭，等. 水環熱泵空調系統在地下工程中的應用[J]. 解放軍理工大學學報，2011，12(2)：139－143.

Geng Shibin, Li Yong, Han Xu, et al. Water loop heat pump system in underground engineering[J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2011, 12(2): 139－143. (in Chinese with English abstract)

[18] 張華，耿世彬，姜建中，等. 大型地下工程用除濕型水環熱泵機組研制[J]. 暖通空調，2012，42(9)：1－5.

Zhang Hua, Geng Shibin, Jiang Jianzhong, et al. Development of dehumidification water loop heat pump units for large underground spaces[J]. HVAC, 2012, 42(9): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[19] 朱旭. 地表水源熱泵螺旋盤管換熱器性能實驗及理論研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2016.

Zhu Xu. Experimental and Theoretical Study on the Spiral Coil Heat Exchanger of Surface Water Source Heat Pump[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[20] Lian Zhiwei, Seong-ryong Park, Qi Henian. Analysis on energy consumption of water-loop heat pump system in China. Applied Thermal Engineering, 2005, 25: 73－85.

[21] 宋應乾，龍惟定，吳玉濤. 水環熱泵應用于大型商業全放的模擬與分析[J]. 暖通空調，2010，40(10)：62－65. Song Yingqian, Long Weiding, Wu Yutao. Simulation and analysis of water-loop heat pump’s application to large-scale commercial podiums[J]. HVAC, 2010, 40(10): 62－65. (in Chinese with English abstract)

[22] Annamaria Buonomano, Francesco Calise, Adolfo Palombo. Buildings dynamic simulation: Water loop heat pump system analysis for European climates[J]. Applied Energy, 2012, 91: 222－234.

[23] 國家人民防空辦公室.人民防空地下室設計規范：GB 50038—2005[S]. 北京：中國計劃出版社，2010.

[24] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 民用建筑供暖通風及空調設計規范：GB 50736—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[25] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 公共建筑節能設計標準：GB 50189—2015[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

[26] Yuan Yanping, Cao Xiaoling, Wang Junqing, et al. Thermal interaction of multiple ground heat exchanger under different intermittent ratio and separation distance[J]. Applied Thermal Engineering, 2016,108: 277—286.

[27] 中華人民共和國建設部. 地源熱泵系統技術規范: GB 50366-2009[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009.

[28] 陳江，聶振龍，王瑩. 北京市地下水資源利用現狀評價[J]. 南北水調與水利科技，2008，6(6)：97－99.

Chen Jiang, Nie Zhenlong, Wang Ying. Evaluation on groundwater resource utilization status in Beijing[J]. South to North Water Transfers and Water Science & Technology, 2008, 6(6): 97－99. (in Chinese with English abstract)

Design and temperature control scheme for water loop heat pump air conditioning system with combination of buried pipe and water tank in underground engineering

Yang Jing, Cao Xiaoling, Yuan Yanping※, Zeng Chao, Sun Liangliang

(,610031,)

Information-based war will be the main way of fighting in the future with the progress of science and technology. As an important part of the country’s military power, civil air defense projects will face more severe challenges. A good thermal environment is an important security for civil air defense projects to play a role. Nowadays, the central air conditioning systems are widely used in the underground space to maintain indoor temperature and humidity. However, these systems are confirmed to have high energy consumption and easy to cause infrared exposure. Therefore, it’s absolutely necessary to design a safe, applicable, high efficient and energy-saving system to improve the thermal and humidity condition for protection engineering. Based on the dual demands for energy saving and infrared camouflage, this paper proposes a new air conditioning system. It uses the water loop heat pump units as the air conditioner, which can realize cooling and heating at the same time and transfer heat from hot area to cold area through the water circulation loop for energy saving. In addition, replacing the traditional cooling towers by composite cold and heat sources that consist of ground heat exchanger and water tank in parallel, high-temperature gas will not be produced, which can avoid infrared exposure and improve the ability of energy security for using renewable energy. There are 2 forms of composite cold and heat sources. Buried pipe combined with static water tank constitutes one and buried pipe with dynamic water tank constitutes the other. When using static water tank, it needs to replace the water frequently to maintain normal operation due to heat accumulation and being easy to cause the waste of water resources, so it is not applicable to the areas where water resources are scarce. When using dynamic water tank, it can achieve cooling continuously and has small floor space, but it has high water consumption. So it is applicable to the areas where water resources are adequate. In this paper, the application characteristics of the new system are illustrated. Afterwards, the concepts of stage control and annual control over temperature are put forward. To analyze the load characteristics of the underground space both in peace time and war time, the whole-year hourly dynamic load of a civil air defense project in Beijing is simulated by TRNSYS (transient system simulation program) software. Results show that it can improve the thermal environment effectively in transition season when the stage control plan is used. When the air conditioning system runs every day at intervals, the buried pipe system can meet the demand for cooling capacity over 40 years. For this project, it needs refrigeration throughout the year in war time. The load in war time is far more than the load in peace time, and the peak load in war time is about 3.15 times that in peace time. Finally, by comparing the water consumption and cover area, it concludes that the cold and heat source consisting of ground heat exchanger and dynamic water tank is more suitable for this project. This paper has important guiding significance for the application of the air conditioning system of water loop heat pump with composite cold and heat sources to underground engineering.

heat pump; temperature; humidity; underground engineering; infrared camouflage; ground heat exchanger; water tank

2017-10-13

2018-01-31

建筑環境與能源高效利用四川省青年科技創新研究團隊項目（2015TD0015）；國家自然科學基金面上項目（51678488）

楊 靜，主要從事地下空間熱濕環境研究。Email：1689811045@qq.com

袁艷平，博士，教授，博士生導師。主要從事地下空間熱濕環境與安全、地源熱泵、太陽能建筑一體化、相變儲能在暖通領域的應用研究。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030

TK01.9

A

1002-6819(2018)-04-0248-07

楊 靜，曹曉玲，袁艷平，曾 超，孫亮亮. 地下工程地埋管水箱并聯水環熱泵空調系統設計與控溫方案[J]. 農業工程學報，2018，34(4)：248－254.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030 http://www.tcsae.org

Yang Jing, Cao Xiaoling, Yuan Yanping, Zeng Chao, Sun Liangliang. Design and temperature control scheme for water loop heat pump air conditioning system with combination of buried pipe and water tank in underground engineering[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 248－254. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030 http://www.tcsae.org