利用綜合管廊排風的余熱供冷系統性能分析

邰傳民, 田貫三, 雷文君

(山東建筑大學熱能工程學院,山東濟南250101)

1 概述

隨著我國城鎮化快速推進,城市地下空間開發利用進入快速增長階段[1]。中國政府高度重視并積極推進城市地下綜合管廊的建設。綜合管廊屬于相對封閉的地下空間,通風條件差[2]。為了保障綜合管廊內市政管線的正常運行和運維人員的健康安全,需要對綜合管廊進行通風,及時排除余熱、余濕和有害氣體[3-4]。因此,有必要設置合理的綜合管廊通風系統[5]。

GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》第7.2.1條規定:綜合管廊宜采用自然進風和機械排風相結合的通風方式。天然氣管道艙和含有污水管道的艙室應采用機械進、排風的通風方式。此外,綜合管廊通風系統應滿足正常、巡檢、高溫報警與事故通風的切換要求[6]。正常通風時,通風系統間歇運行,同時滿足衛生和節能要求[2]。巡檢時,工作人員進入綜合管廊前,提前0.5 h開啟通風系統。高溫報警時,綜合管廊內空氣溫度超過40 ℃時開啟通風系統[7]。事故通風時,當某防火區間發生火災,該防火區間及其相鄰防火區間的通風設備及防火閥關閉,為滅火提供窒息條件;火焰熄滅后,重新開啟通風設備及防火閥,排除有毒煙氣。

夏季,綜合管廊內相對濕度基本在85%以上[8],接近飽和,管廊內管道及其他固體表面溫度通常低于周圍空氣的露點,容易在這些表面結露,給水管道和通信電纜橋架表面的結露情況見圖1。目前,潮濕已經成為管廊內管線安全運行的最大威脅之一[9]。綜合管廊機械通風是一種有效的除濕手段[10],能夠保障管廊內各類管線處于良好的運行環境[11]。但是由于管廊內除濕量大,導致通風能耗較高[12],缺乏經濟性。

圖1 綜合管廊內的結露現象

針對上述問題,本文提出一種利用綜合管廊排風的余熱供冷系統,為附近環衛工人休息室及其他公共建筑供冷。對余熱供冷系統的可行性、制冷性能進行分析。

2 綜合管廊概況

濟寧市某綜合管廊全長約4.5 km,南北走向,敷設于道路中間綠化帶下,平均覆土厚度約2.25 m,斷面尺寸為2.5 m×2.5 m。綜合管廊標準斷面見圖2,圖2、5中標注的尺寸數值相應的單位為mm。管廊內實景見圖3。綜合管廊內敷設有DN 700 mm給水管道、DN 200 mm中水管道以及通信電纜。綜合管廊按一定間距由防火墻、防火門分割為若干段獨立的通風區間,1個通風區間長度約200 m,兩端分別設置1個進風口、1個排風口。綜合管廊采用自然進風和機械排風相結合的通風模式,每個排風口設置2臺通風機,平時1用1備,事故時2臺全開。通風機為耐高溫消防排煙機,推薦工況風量為13 500 m3/h,轉速960 min-1。綜合管廊機械通風系統工作原理見圖4。室外空氣在通風機的驅動下由進風口進入綜合管廊,通過通風區間后由排風口排出綜合管廊,完成一次機械通風循環。

圖2 綜合管廊標準斷面

圖3 管廊內實景

圖4 綜合管廊通風系統工作原理

3 可行性分析

測試時間為2021年8月17日9:00—19:30,室外溫度較高,具有代表性,測試時間間隔為5 min。選取綜合管廊一個通風區間作為測試對象。室外設3個溫度測點,水平間距為5.0 m,距地面高度均為1.5 m,第1室外溫度測點(見圖5)距進風口2.0 m,第2、3室外溫度測點位于遠離進風口方向。排風口設5個溫度測點(見圖5),均勻布置。分別取上述測點的平均溫度作為測試值。

圖5 第1室外溫度測點、排風口溫度測點布置

測試期間,最高室外空氣溫度為41.2 ℃,最低溫度為26.7 ℃,平均溫度為34.0 ℃。綜合管廊進風溫度與排風溫度隨時間的變化見圖6。由圖6可知,室外空氣流經綜合管廊通風區間后,排風溫度有所降低。室外空氣溫度越高,排風溫降越大。室外空氣溫度為41.2 ℃時,排風溫度為25.6 ℃,溫降高達15.6 ℃。15:00—15:30,排風溫度出現異常波動現象,這主要是打開和關閉靠近排風口的人孔蓋所致。打開人孔蓋會導致部分室外空氣直接從該位置進入綜合管廊,造成排風溫度升高。與進風相比,綜合管廊排風中包含大量可利用的免費冷量。若將綜合管廊低溫排風代替室外空氣作為風冷熱泵機組的冷源,可有效提高機組制冷能效。因此,余熱供冷系統可行。

圖6 綜合管廊進風溫度與排風溫度隨時間的變化

4 余熱供冷系統性能分析

4.1 余熱供冷系統工作原理

余熱供冷系統工作原理見圖7。在排風機驅動下,室外空氣通過進風口進入綜合管廊通風區間,降溫后的低溫排風作為風冷熱泵機組的冷源進入排風通道與冷凝器換熱,排風吸熱后溫度升高并經排風口排出,實現通風及冷量回收。節流閥、蒸發器、壓縮機設置在地面,制備的冷水供給用戶使用。

圖7 余熱供冷系統工作原理

4.2 制冷性能分析

采用制冷性能系數對余熱供冷系統與傳統風冷熱泵的制冷性能進行評價,相同運行工況下制冷性能系數越大,制冷效率越高,節能效果越好。影響風冷熱泵機組制冷性能系數的參數較多,如冷水出水溫度[13]、空氣溫度[14]、壓縮機效率和熱損失系數[15]等。為了簡化分析,設定除空氣溫度外的其他參數均相同,即制冷系數僅由冷源溫度決定。

某品牌風冷熱泵機組,額定參數:制冷量60 kW、輸入電功率20 kW、風量24 000 m3/h。余熱供冷系統、傳統風冷熱泵均選用該品牌風冷熱泵機組。余熱供冷系統采用綜合管廊排風作為冷源,傳統風冷熱泵采用室外空氣作為冷源。

由實測結果可知,綜合管廊排風、進風溫度變化范圍為23.0～42.0 ℃,因此重點分析制冷性能系數在空氣溫度23.0～42.0 ℃范圍內的變化。設定冷水出水溫度為7 ℃,其他參數按文獻[14]設定,風冷熱泵機組制冷性能系數在空氣溫度23.0～42.0 ℃范圍內的變化見圖8[14]。由圖8可知,隨著空氣溫度升高,風冷熱泵機組制冷性能系數大幅下降。空氣溫度由23.0 ℃提高至42.0 ℃,風冷熱泵機組制冷性能系數由3.86降為2.59。

圖8 冷水出水溫度為7 ℃時風冷熱泵機組制冷性能系數在空氣溫度23.0～42.0 ℃范圍內的變化[14]

結合圖6、圖8數據,得到測試時間余熱供冷系統、傳統風冷熱泵制冷性能系數,見圖9。由圖9可知,與傳統風冷熱泵相比,余熱供冷系統制冷性能系數更高,波動更小。設定相同時間傳統風冷熱泵與余熱供冷系統制冷量相同,測試時間余熱供冷系統節電率見圖10。由圖10可知,測試時間余熱供冷系統最大節電率達11.9%,平均節電率約5.9%。

圖9 測試時間余熱供冷系統、傳統風冷熱泵制冷性能系數

圖10 測試時間余熱供冷系統節電率

5 結論

① 室外空氣流經綜合管廊通風區間后,排風溫度有所降低。將綜合管廊低溫排風代替室外空氣作為風冷熱泵機組的冷源,可有效提高機組制冷能效。余熱供冷系統可行。

② 與傳統風冷熱泵相比,余熱供冷系統制冷性能系數更高,波動更小。測試時間余熱供冷系統最大節電率達11.9%,平均節電率約5.9%。