杨 静，曹晓玲，袁艳平，曾 超，孙亮亮



地下工程地埋管水箱并联水环热泵空调系统设计与控温方案

杨 静，曹晓玲，袁艳平※，曾 超，孙亮亮

（西南交通大学机械工程学院，成都 610031）

基于红外伪装和节能的双重需求，该文提出一种应用于地下工程的地埋管水箱并联水环热泵系统。在对该系统理论分析的基础上，提出阶段控制和全年控制2种室内温度控制方案。以北京某地下工程为例，借助TRNSYS软件对该系统进行了设计与分析。结果表明，采用阶段控制方案在过渡季可以改善人体的热舒适，采用不同温度控制方案对平时间歇运行的地埋管系统影响不大，热泵系统在40 a周期内均能够保证空调负荷需求。研究对象的平时空调冷负荷远大于热负荷，战时均为制冷模式，其峰值冷负荷约为平时的3.15倍。最后以耗水量和占地面积为指标，对比分析了“地埋管+静态水箱”和“地埋管+动态水箱”2种冷热源方案，认为该工程采用“地埋管+动态水箱”复合冷热源方案更优。该研究为地埋管水箱并联水环热泵系统在地下人防工程应用提供了理论基础。

热泵；温度；湿度；地下工程；红外伪装；地埋管；水箱

0 引 言

人防工程是战时掩蔽人员、物质以及保护人民生命财产安全的重要场所，也是实施人民防空最重要的物质基础[1]，作为国家军事力量的重要组成部分，在未来的信息化战争中，其作用将大大加强，而良好的内部热湿环境是防护工程发挥作用的重要保障[2]。人防工程往往处于一定深度的地下空间，基本不存在太阳辐射和空气渗透，且平时与战时的差异很大[3]。目前地下工程中大多采用全空气集中式空调系统[4]，空调负荷是按战时的最大负荷设计，而平时工程大多处于部分负荷运行状态，实际的冷负荷和热湿比大大低于设计值，使用时不能满足不同区域的温湿度要求，也不能兼顾不同阶段的空调要求，还造成了大量能量浪费。

在冷凝热的处理方面，现有人防工程的空调冷却系统大多采用室外冷却塔和室内冷却水库[5]，室外冷却塔运行时与周围环境温差较大，往往引起可见光暴露，是敌方高精度武器打击的靶子，一旦冷却塔被摧毁，则内部空气温度保障系统将无法正常运行，而室内冷却水库占地面积大，在使用的过程中温度不断上升，需要频繁的大量换水，大大降低了空调机组运行的效率。针对冷却塔可见光易暴露不利于伪装的特点，学者们纷纷提出了解决方法，包括冷却塔入地模式[6-9]以及冷却塔替代模式[10-16]。冷却塔入地模式虽然解决了冷却塔可见光暴露的问题，对工程的伪装起到了一定作用，但是需要另外引入空气作为冷却塔的排风，这就会使得风道尺寸设计增大，风机运行成本增加，从而造成系统不节能。冷却塔替代模式虽对工程的红外伪装有一定的加强，但是难以解决不同控制区域冷热负荷不均的问题。针对该问题，耿世彬等[17]提出将水环热泵系统应用到地下工程中，并以地下水箱+风冷热泵机组作为它的冷凝热处理方式，从理论上论证了该系统的可行性。

综上分析，针对红外伪装问题，冷却塔替代方案是一种有效的解决方式，但现有人防工程的空调系统大多无法同时兼顾红外伪装和节能要求。本文在前人研究的基础上，基于红外伪装和节能的双重需求，提出一种应用于地下工程的地埋管水箱并联水环热泵系统，从理论上分析了该系统应用在地下人防工程中的特点，并以北京某一地下工程为例，借助TRNSYS软件计算了平时与战时建筑的空调负荷，对地埋管的运行换热性能进行了模拟分析，最后以耗水量和占地面积为指标，对“地埋管+静态水箱”和“地埋管+动态水箱”2种冷热源方案进行选择。

1 地下工程地埋管水箱并联水环热泵系统的构成

1.1 系统的构成

系统采用除湿型水环热泵机组[18]作为空调末端，采用“地埋管+水箱”并联作为水环热泵空调系统的复合冷却方式。平时用地埋管与土壤换热满足空调负荷需求，战时增加水箱换热满足多余空调负荷需求。其中，复合冷热源包含“地埋管+静态水箱”和“地埋管+动态水箱”2种配置模式，如图1所示。

注： 1-4.阀门 5.地埋管换热器 6.储水箱 7.水/空气热泵机组 8.循环水泵 9.膨胀水箱

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+静态水箱

a. Buried pipe & static tank

注： 1-6.阀门 7.地埋管换热器 8.换热水箱 9.换热盘管 10.水/空气热泵机组 11.循环水泵 12.膨胀水箱

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+动态水箱

b. Buried pipe & dynamic tank

图1 地埋管水箱并联水环热泵系统结构示意图

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

1）地埋管+静态水箱

如图1a所示，在大体积水箱或水库内储存低温冷水。进入战备阶段后，同时开启阀门1、2、3、4，来自末端的高温循环水一部分进入地埋管与土壤换热，一部分进入储水箱置换水箱内的冷水，在出口混合后进入热泵机组与冷凝器换热。该方案主要利用低温水的显冷量来缓解战时空调负荷，蓄冷量的大小取决于储水箱的容积和蓄冷温差的大小。蓄冷温差是指空调循环水最高温度与冷水最低温度之差。水箱可多面与工程内的土壤、岩石以及被覆接触，初始水温接近地温，因而静态水箱的蓄冷温差相对较大，单位体积蓄冷量高，耗水量相对较小。但该方案在使用过程中水箱存在热量堆积问题，需要通过换水来维持系统的正常运行，容易造成水资源浪费，适用于附近水资源匮乏且平时和战时的负荷差较小的工程。

2）地埋管+动态水箱

如图1b所示，在动态水箱内设置换热盘管，盘管内通空调循环水，上进下出，水箱内通流动的低温冷水，下进上出，2种换热介质互为逆流。进入战备阶段后，同时开启阀门3、4、5、6，室外冷水经阀门5进入水箱，与盘管换热升温后经阀门6流出；循环水经阀门3进入盘管换热器，将热量释放给冷水后经阀门4流出。该方案最大的优点在于流动的冷水及时带走了热量，不存在热量堆积问题，盘管内外介质之间存在较大的换热温差，有利于盘管换热[19]，可以实现持续供冷。其中，冷水来源广泛，可以是工程附近的地下水、地下暗河，也可以是与建筑临近的深层地表水。当其进入换热水箱完成供冷后，再被回送到原有水域，不会造成水资源浪费。由于室内循环管网采用闭式循环，与室外供水管网不会产生交叉污染。该方案适用于附近水资源相对充足的工程。

1.2 系统在地下工程的应用特点

1）可自主调节，实现节能。水环热泵空调系统中各个热泵机组独立运行，可同时实现供冷与供热，并通过水环路将热区的冷量转移到冷区，避免了末端设备冷热量的抵消，节能优势明显[20-22]。

2）增强隐蔽性，便于维护。整个系统几乎无外置设备，既增强了人防工程的伪装效果，战时被摧毁的可能性较小，同时维护人员在工程内部即可对系统进行维护，大大提高了人防工程的安全性。

3）节省地下空间。由于系统无需机房，相比单一的水库吸收余热模式，战时地埋管系统的联合应用可降低水库的装机容量，减小占地面积。

4）提高能源保障能力。整个系统仅循环水泵和热泵机组驱动耗能，无冷却塔和制冷设备的耗能，在一定程度上缓解了备用电站的压力，提高了人防工程战时的能源保障能力。

2 空调系统设计与分析

2.1 温控方案的提出

文献[23]中，平时地下商场的温湿度标准为夏季温度≥28 ℃，相对湿度≥75%，冬季温度≤16 ℃，相对湿度≤30%，按照该标准设计的工程，有可能造成夏季进工程要穿衣、冬季进工程要脱衣的现象。于是，笔者基于文献[24]对人体热舒适等级的划分提出阶段控制和全年控制2种室内温度控制方案。2种控制方案下室内温度t的取值如表1所示。2种温控方案采用相同的相对湿度，夏季相对湿度为60%，过渡季相对湿度为40%～60%，冬季相对湿度为40%。

表1 室内温度参数

全年控制方案是指全年采取相同的温度控制方式，只要室内温度低于18 ℃则需供热，高于28 ℃则需制冷。阶段控制方案则是根据季节的不通划分不同的温度控制范围，低于范围温度则需供热，高于范围温度则需制冷。

2.2 建筑概况

该工程为北京某一地下商场其中的一个防护单元，地下空间净高为4 m，人防建筑面积为1 784 m2，人防使用面积1 440 m2，人防掩蔽面积1 260 m2。作为二等人员掩蔽部，战时人员掩蔽密度为每人1 m2，建筑平面如图2所示。

A. 商铺 B.发电机房 C.男干厕 D.女干厕 E.防化器材储藏室 F.防化通信值班室 G.排风机房 H.进风机房 I.走道

2.3 仿真计算模型及参数

2.3.1 TRNSYS仿真模型

本文采用TRNSYS软件计算全年动态负荷，通过TRNBuild建立建筑模型。TRNBuild将一个建筑分为若干个热区，每个热区可以设置不同的室内控制参数。若房间在同一楼层，房间所处朝向为同一朝向，室内设计参数也相同，此时就可以将这些房间设置为同一个热区。因地下建筑的围护结构传热不受朝向影响，因此，本文根据房间使用功能将建筑划分为7个分区，包含发电机房136.3 m2、商铺758.2 m2、战时男干厕/平时商铺39.46 m2、战时女干厕/平时商铺35.68 m2、走道496.3 m2、防护器材储藏室8.2 m2、防化通信值班室8.1 m2。建模完成后，TRNBuild会产生一个后缀为BUI的文件，此文件包含建筑模型的所有信息，在TRNSYS仿真软件上，通过部件Type56（Building）读取BUI文件，即可获得建筑模型的输入和输出变量列表，建立仿真平台如图3所示。

图3 仿真计算平台

2.3.2 负荷计算参数

1）条件假设

由于工程只通过少量的出入口和通风竖井与外界连通，围护结构外表面几乎全部与土壤或岩石接触，工程内的小气候几乎不受太阳辐射和室外气温变化的影响，工程内的余热、余湿主要是由室外引入的新风、房间内的人员和各种电器设备产生，因此假定与土壤接触的围护结构为建筑的定温边界，其温度为土壤的全年平均温度。

2）模拟参数设置

商场建筑空调系统日运行时间为08:00－22:00，照明时间、人员逐时在室率、电器设备逐时使用率及新风运行情况参考文献[25]设置。围护结构散湿量取经验值0.5 g/(h·m2)，人为散湿量每人取30 g/h，发电机房选用国产柴油发电机组，其发电功率为330 kW，发电散热量约为61.59 kW，其他室内参数如表2所示，室外参数采用北京典型年（EPW格式）气象数据。

表2 室内设计参数[23,25]

2.4 平时负荷模拟结果与分析

以1月1日00:00为起始时间，通过模拟计算，得到平时地下人防工程的峰值负荷及全年（8 760 h）累计负荷，如表3所示。由表3可知，2种温控方案下的峰值冷负荷基本相同，峰值热负荷仅相差1.56 kW。全年温度控制方案下的累计冷负荷是累计热负荷的3.13倍，阶段温度控制方案下的累计冷负荷是累计热负荷的3.48倍，阶段温度控制方案下的累计冷负荷相比全年温度控制方案高出13.25%。由此可以看出，不同的温度控制方案下的空调冷热负荷差异较大。

表3 平时负荷模拟结果

根据模拟情况，2种温控方案下的室内温度变化情况仅在过渡季节（2 160～3 624、5 832～7 296 h）出现了明显的差异，以商铺为例，全年温度控制方案下室内温度的最大波动范围为0.8～3.6 ℃，阶段温度控制方案下室内温度的最大波动范围为0.4～2.2 ℃，前者大于后者，相对来说更容易造成人员感觉上的不舒适，特别是全天在室内的工作人员。经统计，全年温度控制方案下的室内外温差在87%的时间内是高于阶段温度控制方案的，对室外人员来说，当其从室外进入室内感受到的热差异也相对比较明显。因此认为采用阶段温度控制方案对人体的热舒适环境有改善作用。

2.5 地埋管运行分析

根据负荷计算结果，平时建筑全年的累计冷负荷远远大于累计热负荷，若仅采用地埋管换热作为空调系统的冷热源，则存在向土壤的排热量与吸热量不平衡的问题。由于北京的热工分区属于严寒A区[25]，土壤初始温度比较低，故而排热量大于取热量并不意味着要添加辅助排热设备，只要能保证在整个生命周期内地埋管的出口水温不超过机组的正常使用范围，则认为方案可行。

2.5.1 地埋管模拟验证

本文采用TRNSYS软件模拟地埋管系统的换热性能。为验证模拟的正确性，参照文献[26]中的试验数据对地埋管的单位管长换热量进行数值模拟，并与试验结果进行对比分析，结果如图4所示。从图4可以看出，模拟所得结果与试验结果仅在初始阶段存在较大的偏差，但随着运行时间的增长，地埋管单位管长换热量逐渐趋于稳定，两者的吻合程度也越来越高。在运行90 min后，两者的相对误差基本控制在5%以内，造成误差的可能原因有：1）试验装置系统受气候条件等因素影响较大；2）软件模型中的换热热流相对比较稳定；3）试验测量装置本身存在误差等。由于实际地埋管运行时间会很长，而模拟结果与试验结果在短时间内已经吻合较好，从而验证了该数值计算模型的正确性。

图4 地埋管试验与模拟结果对比

2.5.2 地埋管设计

1）条件假定

地埋管的设计计算过程中：①假设岩土体是均匀的，而且在整个传热过程中岩土的热物性不变；②忽略岩土层中水分迁移的影响；③忽略U形管管壁与回填材料、回填材料与岩土体之间的接触热阻；④忽略地表温度波动及埋管深度对岩土温度的影响，认为岩土温度均匀一致，初始温度为当地深度区域内土壤的年平均温度；⑤管内初始温度定为20 ℃，初始流速为0.5 m/s；⑥钻井间距足够大，忽略钻井与钻井之间的传热影响；⑦忽略短期脉冲负荷所引起的附加热阻。

2）设计参数

选用外径d=32 mm、内径d=25 mm的高密度聚乙烯管作为埋管材料，其导热系数为λ=0.46 W/(m·K)。埋管形式采用单U形式，埋管深度为=100 m，埋管间距=7 m，钻孔孔径为=150 mm，回填材料采用含有10%膨润土、90% SiO2沙子的混合物，导热系数为λ=2 W/(m·K)；土壤选择致密沙土（含水率5%），导热系数为λ=2.2 W/(m·K)，扩散率取=1.4×10-6m2/s，体积比热容c=2 200 kJ/(m3·K)。

3）钻孔长度计算

末端选用麦克维尔分体式水源热泵机组，机组正常制冷进水温度范围为13～40 ℃，机组正常制热进水温度范围10～35 ℃，其平均制冷性能系数为4.04，平均制热系数为4.39。参照文献[27]推荐的钻孔长度计算方法，得到钻孔长度为2 182 m，钻孔个数取22。在末端供回水温差为5 ℃时，环路设计流量为31.59 m³/h，对应的孔内流速为0.81 m/s。通过校核计算，雷诺数为20 193，大于4 000，为紊流状态，合乎设计条件。

2.5.3 地埋管模拟结果分析

由于地下商场的空调系统日运行时间为8:00－22:00，所以平时地埋管系统处于间歇运行状态。本文通过所选机组的平均制冷系数和平均制热系数将空调负荷与水环路进行耦合，模拟得到系统运行40 a（生命周期）地埋管的最高和最低出口水温，如图5所示。

从图5可以看出，随着运行年限的增加，地埋管的最高和最低出口水温均在不断升高，但升高的幅度在不断减缓，最后逐渐趋于平稳，主要是因为地埋管换热器与地下土壤的换热量随着运行年限的增加而逐渐增大了。当系统运行至40 a，2种温度控制方案下的地埋管最高出口水温分别上升至34.87和35.77 ℃，最低出口水温分别上升至16.03和16.9 ℃，可见，两者差距相对较小，当空调系统运行至40 a，地埋管的出口水温仍在机组的正常进水温度范围内，能够满足空调负荷需求。

图5 系统运行40 a地埋管出口水温

2.6 平时与战时空调负荷对比分析

根据上述研究可知，阶段温度控制方案下的空调负荷高于全年温度控制方案，说明采用阶段温度控制方案对能源的需求更大。为减少战时空调系统对能源的需求，空调系统采用全年温度控制方案，平时阶段为了保证更为舒适的热环境，空调系统采用阶段温度控制方案。平时与战时全年（8 760 h）的空调负荷模拟结果如表4所示。

表4 平、战负荷模拟结果

由表4可知，平时空调系统既需要供冷也需要供热，虽然供冷时长低于供热时长，但其峰值冷负荷远大于峰值热负荷；战时空调系统全年处于制冷状态，其峰值冷负荷约为平时峰值冷负荷的3.15倍。主要原因在于地下建筑的围护结构具有保温功能，在冬季，内热源承担了部分建筑热负荷，而夏季内热源却增加了建筑冷负荷，所以平时阶段的空调负荷有正有负，且夏季的冷负荷远大于冬季的热负荷。在战时，由于人员增多、大功率设备运行，内热源增大，使得房间的内热源超过了冬季其他形式的热负荷，所以全年需要制冷。

3 冷热源方案的选择

从现代战争的目的、战争消耗和政治影响分析来看，现代战争的效率越来越高，持续的时间也越来越短。本文假定战争持续的时间为5 d，对应最大平时、战时累计负荷差∆ΣQmax=36 356 kWh，出现在5 040～5 160 h。静态水箱按平时与战时最大累计负荷差设计，动态水箱按平时与战时最大负荷差计算。假定静态水箱的初始水温和动态水箱的进口水温均为20 ℃，静态水箱蓄冷温差为15 ℃，动态水箱设计出口水温为25 ℃，换热盘管设计进、出口水温为40和30 ℃，不考虑热损失。根据能量守恒定律，计算得到地埋管+静态水箱方案的耗水量共2 084 m³，即17.37 m³/h，若地下工程能够容纳的水箱容积为200 m³，则需换水至少11次；地埋管+动态水箱方案的耗水量为46.84 m³/h，所需水箱容积约22.9 m³。

两者相比，静态水箱的耗水量小，但占地面积大，运行时需频繁大量地换水，并且在使用过程中存在热堆积现象，导致水箱内流体温度不断上升，不利于战时空调系统长时间运行；动态水箱耗水量大，但占地面积小，供冷相对稳定。根据建筑平面图2来看，工程内无可用空间容纳大体积的静态水箱，由于北京属于地下水补给较丰富区，地下水的采用量占总用水量71%[28]，有利于地埋管+动态水箱方案的实施，因此选用地埋管+动态水箱复合冷热源方案。

4 结 论

基于红外伪装和节能双重需求，本文提出一种应用于地下工程的地埋管水箱并联水环热泵系统，从理论上分析了该系统应用在地下人防工程中的特点，并以北京某地下工程为例，借助TRNSYS软件对该系统进行了设计与分析，得出以下结论：

1）采用阶段温度控制方案在过渡季可以改善人体的热舒适环境。阶段温度控制方案下的全年累计冷负荷比全年温度控制方案高出13.25%，在相同的设计条件下，空调系统采用不同的温控方式对平时间歇运行的地埋管系统影响不大，在40 a周期内均能够保证负荷需求。

2）在北京地区，平时用作商场的地下人防工程，夏季冷负荷远大于冬季热负荷，战时空调系统均处于制冷模式。本文研究对象的战时峰值冷负荷为463.44 kW，约为平时峰值冷负荷的3.15倍。

3）地埋管+静态水箱复合冷热源方案耗水量小，但占地面积大，容易造成水资源浪费，不利于空调系统长时间运行，可适用于附近水资源匮乏且平战负荷差相对较小的工程；地埋管+动态水箱复合冷热源方案耗水量大，但占地面积小，供冷相对稳定，可适用于附近水资源较为充足的工程。因此，在对冷热源方案进行选择时，需要综合考虑工程的使用功能及所在的地理位置。

[1] 马吉民，朱培根，耿世彬，等. 人民防空工程通风空调设计[M]. 北京：中国计划出版社，2006.

[2] 茅靳丰，李永，耿世彬，等. 防护工程内部热环境保障的研究进展[J]. 暖通空调，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，张华，等. 除湿空调机组与水环热泵机组联合空气环境保障模式在地下工程中的运用探讨[J]. 制冷与空调，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] 缪小平，茅靳丰，罗继杰，等. 半集中式空调系统在指挥防护工程中的应用分析[J]. 防护工程，2004，26(2)：49－53.

[5] 汤红峰. 地源热泵水平埋管技术在人防工程中的应用研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，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] 周涤生，李祥麟. 地下冷却塔在外滩观光隧道中的应用[J]. 上海建设科技，2002(3)：20－21.

[7] 冯爽. 地下式冷却塔设计实例及其发展前景[J]. 地下工程与隧道，2004(3)：46－47.

[8] 何叶从. 地铁专用间接蒸发冷却器研究[D]. 重庆：重庆大学，2009.

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

[9] 王晋生，刘文杰，蔡浩，等. 地下蓄冷防护型冷却塔[J]. 制冷与空调，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] 尧勇. 蒸发式冷凝器在人防工程中的应用研究[D]. 南京：解放军理工大学，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] 杨盛旭，李刻铭，吴茂杰，等. 蒸发式冷凝器在人防工程中的应用[J]. 建筑热能通风空调，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. 调温除湿机调温特性研究[D]. 南京：解放军理工大学，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] 刘文杰. 人防工程冷凝热处理模式及相关设备研究[D]. 南京：解放军理工大学，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] 郭学森. 利用蒸发冷却技术的调温除湿系统研究[D]. 南京：解放军理工大学，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] 张华，茅靳丰，李永. 人防工程地源除湿空调系统的应用分析[J]. 制冷与空调，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，茅靳丰，陈飞，等. 防护工程相变型水库方案应用及蓄热特性研究[J]. 制冷学报，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，韩旭，等. 水环热泵空调系统在地下工程中的应用[J]. 解放军理工大学学报，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] 张华，耿世彬，姜建中，等. 大型地下工程用除湿型水环热泵机组研制[J]. 暖通空调，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. 地表水源热泵螺旋盘管换热器性能实验及理论研究[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，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] 宋应乾，龙惟定，吴玉涛. 水环热泵应用于大型商业全放的模拟与分析[J]. 暖通空调，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] 国家人民防空办公室.人民防空地下室设计规范：GB 50038—2005[S]. 北京：中国计划出版社，2010.

[24] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 民用建筑供暖通风及空调设计规范：GB 50736—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[25] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015[S]. 北京：中国建筑工业出版社，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] 中华人民共和国建设部. 地源热泵系统技术规范: GB 50366-2009[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

[28] 陈江，聂振龙，王莹. 北京市地下水资源利用现状评价[J]. 南北水调与水利科技，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

建筑环境与能源高效利用四川省青年科技创新研究团队项目（2015TD0015）；国家自然科学基金面上项目（51678488）

杨 静，主要从事地下空间热湿环境研究。Email：1689811045@qq.com

袁艳平，博士，教授，博士生导师。主要从事地下空间热湿环境与安全、地源热泵、太阳能建筑一体化、相变储能在暖通领域的应用研究。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.030

TK01.9

A

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

杨 静，曹晓玲，袁艳平，曾 超，孙亮亮. 地下工程地埋管水箱并联水环热泵空调系统设计与控温方案[J]. 农业工程学报，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