利用地溫能的隧道能源技術經濟對比分析

李玉成 李孟琳

(江蘇華東地質建設集團有限公司，江蘇 南京 210007)

1 南京地溫條件

能源地下工程是結合地下構建與換熱系統耦合的一種新型地源熱泵，其需滿足兩個應用條件：

1)氣候條件：需要周圍地層具有穩定的、合適的溫度。

2)工程條件：地下結構埋深要足夠，且與地層接觸要充分。

根據“中國自然資源數據庫”中的“氣候資源數據庫”，南京地區累年各月的平均地溫(地下0.1 m深度處)，如表1所示。

表1 南京累年各月平均地溫(0.1 m 深度處)

運用originPro8.0進行數值擬合并結合式(1)可得地溫函數關系式：

T(x,t)=17.07-13.53e-0.72xcos(0.52t-0.72x-0.72)

(1)

據此得出南京市各月地溫(0 m～10 m)曲線振幅分析(見表2)，并繪制南京地區不同深度處地溫—時間曲線(見圖1)。

由上知土壤深度的增加會導致地溫的振幅迅速衰減。南京地區全年的地表平均溫度為17.2 ℃，滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件，可以在地鐵車站及隧道埋深內為熱泵提供穩定熱源。

2 地鐵車站負荷計算

表2 南京市各月地溫(0 m～10 m)曲線振幅分析

2.1 人員負荷

車站的逐時客流量是影響車站空調負荷的一個重要因素。站內乘客的總散熱量和散濕量由客流量決定。這里采用遠期客流預測計算。

(2)

其中，Qp為乘客產生的逐時負荷，W；np為車站客流，per/h；τρs為乘客在車站停留時間，min；qp為乘客散發全熱，W/(h·per)。計算得乘客產生的逐時載荷為36.47 kW。

2.2 車站照明及設備負荷

地鐵車站的照明及設備發熱為穩態發熱，計算與普通地面建筑相同。設備通常包括垂直電梯、自動售票設備、自動扶梯、機房設備和廣告燈箱等。

車站外包總長178.26 m，標準段外包總寬22.3 m，開挖深度26 m。實際測量車站照明段長約130 m，故估計該站面積6 000 m2。可得該站的燈具照明發熱量為70.2 kW。依經驗公式取該站的廣告照明產熱量為48 kW。

自動扶梯的產熱量根據表3取值，自動售票檢票設備每月產熱量依表4取值。

表3 自動扶梯在不同高度下的產熱值

表4 自動售檢票設備產熱值 月

垂直電梯的產熱量取22 kW/臺；站內共有5臺自動扶梯，出站口有2臺自動扶梯，自動扶梯的產熱量為151.5 kW；站內共有6部自動售票機，其產熱量為1.56 kW，無半自動售票機和檢票機，有20部閘機，其產熱量為7.2 kW。通信設備的散熱量按6 kW計算。

綜合以上各項，車站的照明及設備負荷為284.46 kW。

2.3 屏蔽門負荷

經屏蔽門進入地鐵車站的熱負荷分為三類:

1)由屏蔽門縫隙滲透風帶來的負荷;

2)屏蔽門材料進行的熱傳導;

3)屏蔽門開啟時的空氣熱濕交換。通過屏蔽門傳熱帶來的負荷，是整個屏蔽門負荷的主要組成部分，一般當做一維穩態導熱過程處理：

Q=KFΔt

(3)

其中，F為屏蔽門面積，m2；Δt為屏蔽門兩邊溫度差，℃；K為屏蔽門的傳熱系數，W/(m2·K)。

屏蔽門相關參數見表5。

表5 屏蔽門相關參數

車站為島式地鐵站，屏蔽門呈對稱分布。計算得屏蔽門的傳熱負荷約為5.36 kW。

2.4 逐時新風負荷

當采用閉式運行時，地鐵車站公共區內所需要的新風量不小于12.6，且總的新風量不應小于系統總風量的10%。新風負荷可按式(4),式(5)計算：

(4)

(5)

其中，QXC,QXT分別為站廳、站臺的新風負荷，kW；ρw為室外空氣密度，1.18 kg/m3；LXC,LXT分別為站廳、站臺的新風量，m3/h；hw,hC，hT分別為室外空氣、站廳空氣及站臺空氣焓值，kJ/kg。

計算得QXC=41.30 kW，QXT=66.08 kW。

2.5 出入口滲透換熱

車站有三個出口，各個出入口需要考慮適當的滲透負荷外，一般按出入口通道截面，以200 W/m2計。

相對于地鐵車站，因存在屏蔽門，活塞風引起的車站壓力波動很小，且屏蔽門遠離出入口，故可假定出入口的滲透風量為定值。

Q=cρGΔt

(6)

其中，Q為出入口滲透負荷，kW；G為滲透風量，這里選取為58.1; Δt為地鐵內空氣溫度與外界溫度的差值，取2 ℃；c為室外空氣定壓比熱，這里取夏天的數據1.005 kJ/(kg·K)；ρ為室外空氣密度，取1.165 kg/m3。

計算得出入口滲透換熱負荷為136 kW。

2.6 地鐵車站圍護結構的熱庫效應負荷

地下建筑的圍護結構采取嚴格保溫措施，具有較大的儲熱、儲冷潛力。不考慮熱泵機組和輸送系統的能耗對總能耗進行估算，公式見式(7)，式(8)。

Qc=F·qCmax·tC

(7)

Qc=F·qHmax·tH

(8)

其中，qHmax為建筑的峰值熱負荷，kW；qCmax為建筑的峰值冷負荷，kW；τH為供暖總時間，s；τC為供冷總時間，s；F為同時使用系數，取0.85。

計算得夏季能耗7.08×105kW·h，冬季能耗是5.84×105kW·h。

3 地源熱泵的經濟性分析

取隧道圍巖每平方米換熱量為15 W；垂直地埋管每延米換熱量為50 W，根據夏季負荷408.13 kW計算，知鋪設雙U型垂直地埋管須8 163 m；在隧道上鋪設熱交換管需要27 209 m2。已知隧道熱交換管間距為50 cm，故鋪設熱交換管總長約54 416 m。

車站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20 m以下為性質較好的粘土。以南京地區每米井深30 W，管間距4 m，打井深度為60 m，面積為4.5，打井費用按照100元/m，地下管材按照50元/m計算，每口井所需回填材料約為3 250 kg，回填材料200元/t，故鋪設雙U型垂直地埋管需鉆孔136口，整體造價為131.29萬元。在隧道內鋪設PE管，按7元/m計算，人工按10元/m計算，造價約為19.05萬元。

地鐵站內部線路鋪設較為復雜且彈性較大，這里僅考慮外部線路鋪設費用，進行經濟對比分析，見圖2。

由上知相對于能源熱泵技術，采取中央空調調控技術前期投資較低，但其能效比小于能源熱泵系統。從圖2看出，在前十五年內空調系統具有一定經濟優勢，但之后其費用較能源熱泵顯著增長。

采取隧道內PU管鋪設與采用垂直雙埋管相比，初始造價相差在38.79萬元。但即便初始投資相差在幾十萬元，隨著時間推移，考慮到銀行利率問題，最終結果會較起始擴大十倍以上，最終相差在423.64萬元。

4 結語

南京地區地表處的平均溫度與累年恒定的地層溫度相當，地溫適宜，滿足能源地下工程所需要的氣候條件和工程條件，可以在地鐵車站及隧道埋深內為熱泵提供穩定熱源。

中央空調調控技術相對于能源熱泵技術，雖前期投資較低，但其能效比較低，長期運營的費用也相對較高。

采取隧道內鋪設熱交換管與采用垂直雙埋管相比，不僅節約用地，在成本上也有一定優勢。