CN110017560B - 严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法 - Google Patents

严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法，所述系统包括第一排风风井、第二排风风井和新风风井；第一排风风井一端通向室外排风风亭，另一端通过第一排风风机连接直膨机组室外机，然后接至区间隧道；第二排风风井一端连接第一排风风井，另一端通过第二排风风机连接热管换热器，然后接至区间隧道；新风风井自室外新风风亭引入，通过热管换热器接入直膨机组室内机后，连接车站送风管和车站送风口；直膨机组室内机通过冷媒管与直膨机组室外机相连接。该系统最大限度利用区间隧道内土壤热和列车制动产生的废热，提高车站温度，不但能很好的解决严寒地区冬季车站温度过低问题、还能提高车站空气品质，大大节约能耗。

Description

严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及地铁通风控温技术领域，具体涉及一种严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法。
背景技术
地铁列车在进站过程中会散发出大量的制动热，加之较高的室外温度，南方地区的城市地铁环控系统需要解决的主要矛盾就是夏季地铁车站和区间的降温温度。
然而在严寒地区，夏季气候凉爽，这一矛盾不那么突出，但是，这一地区冬季漫长，且气温极其低下，由于列车运行过程形成的活塞风的作用，这一地区冬季车站和区间热环境控制变得极其重要。严寒地区冬季车站和区间温度普遍偏低，不但不满足人体热舒适的要求，部分区域管道设备产生冻结，给地铁的安全运行带来极大的风险。
为提高这一地区的地铁车站和区间热环境，诸如冬季地铁运行时采用闭式系统，把安全门改为屏蔽门、在出入口假设门帘或热风幕等措施来提高车站和区间温度，这些措施虽然能在一定程度上提高车站温度，但在某些工况下仍不满足地铁规范的要求，且可能会带来新的问题，如室内空气品质差，能耗量大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种严寒地区地铁区间废热利用系统及其运行方法，该系统能多阶梯利用隧道内土壤和列车制动产生的废热，用以加热新风，按需给车站补充热量和新风，以此解决严寒地区冬季地铁热环境。
本发明所采用的技术方案为：
严寒地区地铁区间废热利用系统，其特征在于：
所述系统包括第一排风风井、第二排风风井和新风风井；
第一排风风井一端通向室外排风风亭，另一端通过第一排风风机连接直膨机组室外机，然后接至区间隧道；
第二排风风井一端连接第一排风风井，另一端通过第二排风风机连接热管换热器，然后接至区间隧道；
新风风井自室外新风风亭引入，通过热管换热器接入直膨机组室内机后，连接车站送风管和车站送风口；
直膨机组室内机通过冷媒管与直膨机组室外机相连接。
第一排风风井出风端和新风风井进风端均设置有消声器。
第一排风风井与第一排风风机之间、第一排风风井与第二排风风井之间、新风风井与热管换热器之间、直膨机组室外机与区间隧道之间、以及直膨机组室内机与区间隧道之间均设置有电动风阀。
直膨机组室内机和直膨机组室外机均设置在机房内。
车站内的站台和站厅均设置有车站送风管和车站送风口。
严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
冬季关闭车站内活塞风井上的活塞风阀，打开上下行线上迂回风道上的迂回风阀，采用闭式运行模式；
然后开启第一排风风机和第二排风风机，开启直膨机组室内机和直膨机组室外机，新风先通过热管换热器被隧道内热空气加热后，在通过直膨机组室内机再次加热，接着通过车站送风管和车站送风口送至车站，为车站补充热量和补充新鲜空气；
区间隧道内的热风通过第二排风风机的抽吸作用，被引进热管换热器，加热引进热管换热器的新风，然后通过第一排风风井排至室外；
区间隧道内的热风通过第一排风风机被吸至机房，用以提高直膨机组室外机的工作温度，提高其制热性能系数，然后通过第一排风风井排至室外；
直膨机组室外机通过冷媒管与直膨机组室内机相连，为直膨机组室内机提供热量，用以加热经过热管换气器的新风。
车站内设置有CO2浓度传感器，根据车站CO2浓度来控制直膨机组室内机的送风量，当CO2浓度超过1500ppm时，加大风机送风量，反之相反。
车站内设置有温度传感器，根据车站温度来控制直膨机组室外机的加热量，温度小于12℃，加大直膨机组室外机的加热量，反之相反。
本发明具有以下优点：
严寒地区冬季地铁运行时，由于室外温度极低，通常采用关闭活塞风阀，打开迂回风道风阀，执行闭式运行模式。该模式能显著提高区间温度，使区间温度保持在略高于土壤温度，利用热管式换热器，使室外冷空气和隧道内热空气发生热交换，来提高新风温度，然后经过直膨机组室内机进行加热，进一步提高新风温度；利用隧道内废热，为直膨机室外机提供一个良好的工作环境，能大大提高直膨机的制热性能系数，进一步减少电消耗量。该系统的主要优点在于不但能提高车站温度及车站空气品质，还能阶梯利用隧道废热，并且该系统能根据室内空气品质及温度自动调节新风量及加热量，大大减少能量消耗。
附图说明
图1为计算实例下的室外温度变化图。
图2为车站温度。（a）为站厅，（b）为站台。
图3为车站CO2浓度。（a）为站厅，（b）为站台。
图4 为隧道内空气温度。
图5为典型直膨机组的性能系数。
图6为本发明系统结构图。
图中，1、第一排风风井，2、新风风井，3、第一排风风机，4、第二排风风机，5、热管换热器，6-1、直膨机组室外机，6-2、直膨机组室内机，7、车站送风管，8、车站送风口，9、出入口通道上的门帘，10、第二排风风井，11、CO2浓度传感器，12、温度传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及严寒地区地铁区间废热利用系统，所述系统包括第一排风风井1、第二排风风井10和新风风井2。第一排风风井1一端通向室外排风风亭，另一端通过第一排风风机3连接直膨机组室外机6-1，然后接至区间隧道。第二排风风井10一端连接第一排风风井1，另一端通过第二排风风机4连接热管换热器5，然后接至区间隧道。新风风井2自室外新风风亭引入，通过热管换热器5接入直膨机组室内机6-2后，连接车站送风管7和车站送风口8。车站内的站台和站厅均设置有车站送风管7和车站送风口8。直膨机组室内机6-2通过冷媒管与直膨机组室外机6-1相连接，直膨机组室内机6-2和直膨机组室外机6-1均设置在机房内。
第一排风风井1出风端和新风风井2进风端均设置有消声器，减少风机运行带来的噪音。
第一排风风井1与第一排风风机3之间、第一排风风井1与第二排风风井10之间、新风风井2与热管换热器5之间、直膨机组室外机6-1与区间隧道之间、以及直膨机组室内机6-2与区间隧道之间均设置有电动风阀，便于运行中的调节控制。
地铁车站出入口通道上均设置有门帘，对室内环境进行进一步的保温。
上述严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，由以下步骤实现：
冬季关闭车站内活塞风井上的活塞风阀，打开上下行线上迂回风道上的迂回风阀，采用闭式运行模式；
然后开启第一排风风机3和第二排风风机4，开启直膨机组室内机6-2和直膨机组室外机6-1，新风先通过热管换热器5被隧道内热空气加热后，在通过直膨机组室内机6-2再次加热，接着通过车站送风管7和车站送风口8送至车站，为车站补充热量和补充新鲜空气；
区间隧道内的热风通过第二排风风机4的抽吸作用，被引进热管换热器5，加热引进热管换热器5的新风，然后通过第一排风风井1排至室外；
区间隧道内的热风通过第一排风风机3被吸至机房，用以提高直膨机组室外机6-1的工作温度，提高其制热性能系数，然后通过第一排风风井1排至室外；
直膨机组室外机6-1通过冷媒管与直膨机组室内机6-2相连，为直膨机组室内机6-2提供热量，用以加热经过热管换气器5的新风。
车站内设置有CO2浓度传感器11，根据车站CO2浓度来控制直膨机组室内机6-2的送风量，当CO2浓度超过1500ppm时，加大风机送风量，反之相反。车站内设置有温度传感器12，根据车站温度来控制直膨机组室外机6-1的加热量，温度小于12℃，加大直膨机组室外机6-1的加热量，反之相反。
上述设备中：
直膨机组为通过制冷剂直接跟需要处理的空气完成热交换，中间不通过二次换热的空调机组，此机组的特点为不通过二次换热，结构简单，能量利用率高。此机组冬季制热时，室外机吸入的空气温度越高，效率越高，型号如：ZRF型，WRF型。
热管换热器：热管是一种高效传热元件，用热管制作的热管式换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小，热响应速度快，安装维修方便，寿命长，阻力损失小，且具有低温度热回收等特点，工作温度区间在-40~80℃，其热回收效率在60~80%。
应用实例：
本应用实例通过模拟计算与理论计算的方式对比应用该发明与其他措施下的地铁车站温度、CO2浓度以及能耗情况。应用实例下，典型天室外温度变化如图1。
其他提高地铁热环境措施：A为只在出入口通道上增设门帘、B为在出入口通道上同时增设门帘和热风幕，热风幕的制热量为每个通道60kW，共计4×60=240kW。
车站温度及CO2浓度分析：
利用权威的IDA tunnel地铁热环境计算软件，计算在室外温度等其他边界条件都相同的情况下，只有提高地铁热环境措施不同的情况下的室内温度、室内CO2浓度如图2和图3所示。计算工况见下表：
通过模拟计算可得，在没有采取措施的情况下，车站站厅和站台温度都比较低，远低于规范要求的12℃，而且站台的CO2浓度也略超过规范规定的1500ppm的要求，采用措施A虽然能较大的提高车站温度，但与此同时也增大了车站的CO2浓度，其温度和CO2浓度都不满足规范要求；采用措施B虽然能很大的提高车站温度，使其满足规范要求，但其车站的CO2浓度也很高，远高于规范要求的1500ppm。采用本发明，车站温度与采用措施B相当，大于12℃，其CO2浓度也低于1500ppm，满足规范的要求。
系统能耗分析：
采用措施A，不消耗额外的能耗，但温度和CO2浓度不满足规范要求；
采用措施B，每小时消耗240kW的电能；
采用本发明，消耗能量理论分析如下：
热管换热器的热效率计算如下：
η=(t1-t2)/(t1-t3) （1）
η为热管换热器的热回收效率(-)；t1为室外空气温度 (°C)；t2为经过热管换热器后的室外空气温度 (°C)；t3为隧道内热空气的温度 (°C)。
通过上述的模拟计算，地铁闭式运行式，隧道内温度变化如图4所示，温度在8℃左右，即t3的温度为8℃左右。典型天室外温度为-22~-16 °C，选定热管换热器的热回收效率为68.5%，由热管换热器热回收效率计算公式可得室外空气经过热管换气器后，其温度被加热到0~1.8 °C。那么这部分空气被加热到16℃送至车站，其所需要直膨机所提供的热量可用下式计算：
Q=ρcpLfresh（t4-t2）（2）
Q为直膨机所提供的热量（kW）；
cp空气比热 (J/kg·°C)；
ρ空气密度(kg/m3)；
Lfresh室外新型空气质量流量 (m3/s)，本计算实例取4m3/s；
t4为经过直膨机室内后的室外空气温度(°C)。
通过计算可得，需直膨机组提供的热量Q为87.9~78.0kW。
根据公式（3）计算能整个系统的能耗
Eall=EDEACU+Eexhaust fan1+ Eexhaust fan2=QDEACU/COPDEACU+ Eexhaust fan1+ Eexhaust fan2(3)
式中：
Eall为本发明系统的总能耗(kW)；
EDEACU为直膨机组消耗电能 (kW)；
Eexhaust fan1为排风风机1所消耗电能(kW),本计算实例根据工程特点取7.5kW；
Eexhaust fan2为排风风机2所消耗电能 (kW),本计算实例根据工程特点取7.5kW；
QDEACU为直膨机组所提供的热量 (kW)；
COPDEACU为直膨机组制热性能系数 (-)，取3.2，见图5。
通过计算可得本发明所需要总电能为：
Eall=27.6～24.5+7.5+7.5=42.6～39.5kW
与措施B相比其能耗约为措施B的17.8~16.5%。所以采用本发明能有效利用隧道内废热，大大降低能源消耗。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
冬季关闭车站内活塞风井上的活塞风阀，打开上下行线上迂回风道上的迂回风阀，采用闭式运行模式；
然后开启第一排风风机（3）和第二排风风机（4），开启直膨机组室内机（6-2）和直膨机组室外机（6-1），新风先通过热管换热器（5）被隧道内热空气加热后，在通过直膨机组室内机（6-2）再次加热，接着通过车站送风管（7）和车站送风口（8）送至车站，为车站补充热量和补充新鲜空气；
区间隧道内的热风通过第二排风风机（4）的抽吸作用，被引进热管换热器（5），加热引进热管换热器（5）的新风，然后通过第一排风风井（1）排至室外；
区间隧道内的热风通过第一排风风机（3）被吸至机房，用以提高直膨机组室外机（6-1）的工作温度，提高其制热性能系数，然后通过第一排风风井（1）排至室外；
直膨机组室外机（6-1）通过冷媒管与直膨机组室内机（6-2）相连，为直膨机组室内机（6-2）提供热量，用以加热经过热管换热器（5）的新风；
车站内设置有CO2浓度传感器（11），根据车站CO2浓度来控制直膨机组室内机（6-2）的送风量，当CO2浓度超过1500ppm时，加大风机送风量，反之相反；
车站内设置有温度传感器（12），根据车站温度来控制直膨机组室外机（6-1）的加热量，温度小于12℃，加大直膨机组室外机（6-1）的加热量，反之相反；
所述严寒地区地铁区间废热利用系统包括第一排风风井（1）、第二排风风井（10）和新风风井（2）；
第一排风风井（1）一端通向室外排风风亭，另一端通过第一排风风机（3）连接直膨机组室外机（6-1），然后接至区间隧道；
第二排风风井（10）一端连接第一排风风井（1），另一端通过第二排风风机（4）连接热管换热器（5），然后接至区间隧道；
新风风井（2）自室外新风风亭引入，通过热管换热器（5）接入直膨机组室内机（6-2）后，连接车站送风管（7）和车站送风口（8）；
直膨机组室内机（6-2）通过冷媒管与直膨机组室外机（6-1）相连接。
2.根据权利要求1所述的严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
第一排风风井（1）出风端和新风风井（2）进风端均设置有消声器。
3.根据权利要求1所述的严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
第一排风风井（1）与第一排风风机（3）之间、第一排风风井（1）与第二排风风井（10）之间、新风风井（2）与热管换热器（5）之间、直膨机组室外机（6-1）与区间隧道之间、以及直膨机组室内机（6-2）与区间隧道之间均设置有电动风阀。
4.根据权利要求1所述的严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
直膨机组室内机（6-2）和直膨机组室外机（6-1）均设置在机房内。
5.根据权利要求1所述的严寒地区地铁区间废热利用系统的运行方法，其特征在于：
车站内的站台和站厅均设置有车站送风管（7）和车站送风口（8）。
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