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节能设计及新能源利用在地下工程中的应用

发布于：2015-06-10 11:10:10 来自：电气工程/供配电技术 [复制转发]

摘要　“节能降耗”是国家基本国策之一，随着科技的迅速发展，节能技术、设备也不断提高。节能技术要求既重视大范围、大容量的节能大户，也不应忽略局部、点滴的节能功效。为促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保护环境。应做好地下工程的节能设计和新能源利用，提高总体性价比。
关键词地下工程节能新能源设计
前言：地下工程由于其处于地下，不占地面空间，在大中城市特别是繁华的市中心已经越来越多。平时主要功能为商场、过街道以及停车库，战时及灾难发生时可作为人员掩蔽场所等。因为地下工程无自然光、保温效果较好等特点，应重视工程的节能设计，采用新材料、新技术、新能源利用，为国家低碳节能工程建设做出积极的贡献。文章根据以往设计，并立足于当前成熟的节能减排技术，就节能设计及新能源利用作介绍。
1 太阳能光伏发电系统
1.1 原理及概念
太阳能光伏电源系统作为新型能源方式，可广泛应用于公园、景区、广场、城市次干道、乡村及城市居民小区的功能照明和景观照明，以及交通指示等多种场合。我国是太阳能资源相当丰富的国家，地下工程的可再生能源利用，主要为太阳能光伏系统，可以利用下沉式广场等处安装太阳能光伏系统。
1.2 分类及特点
根据工程的应用特性，系统设计为非并网、独立的太阳能光伏发电系统。如果是晴朗白天可以利用太阳电池方阵给一部分重要负荷设备（如应急灯、计算机等）供电，这是光伏系统的自立功能；如果是夜间或阴雨天当市电电网停电，利用系统中配置蓄电池组经过功率调节器逆变后通过自立输出通道输出，给负荷设备供电。系统中的蓄电池组可通过太阳能光伏电池为蓄电池进行充电，系统正常运行时蓄电池处于满容量应急备用状态。
1.3 设计采用
应急用储能蓄电池采用铅酸密封免维护蓄电池，这样它在相当长的一段时间（一般为一年）内不需要进行维护，因此，可以减少日后系统的维护量。蓄电池采用每只额定电压为１２Ｖ，蓄电池组采用柜体式安装的方式。按照简单计算，每一百平方米太阳能电池可发电约１０kＷ，年发电量约为１００００kWh.
2 光导照明系统
2.1 原理及概念
光导照明系统是一种利用太阳能进行室内照明的装置，属健康、绿色环保、节能、安全的产品。它结构简单，安装方便，适用于人防工程的顶板。阳光系统可从顶板将自然光引入工程内部，是一种绿色环保节能的健康产品。健康环保：阳光下许多细菌无法生存，益于身体健康；同时，柔和的自然光使您读书、写字不易疲劳，长期沐浴在阳光下，心情舒畅。安全节能：自然光照明，无触电危险，安全可靠；节能：可节约大量电费支出。
2.2 分类及特点
日光照明系统传输方式，根据光线采集的主动式及被动式也将传输分为两种不同的方式：光纤传输与管道传输，光纤是以光学纤维为材料的传输介质，管道是通过将金属等介质上增加一些反射膜等增强反射的介质，而后折成圆形的空心管道。主动式的采光一般采用光纤传输方式，被动式则是通过管道进行传输，两者最大的区别分为以下几方面：
第一，成本方面。光纤传输所采用的光纤造价高于管道几倍，因此，采用光纤传输时，工程材料成本相对管道明显增加。
第二，传输的光源方面。光纤传输为点光源，到达室内的点光源类似一个个灯泡或ＬＥＤ灯，比较刺眼且覆盖面较窄，与管道传输的面光源相比，光纤传输点光源效果显得不够理想。
第三，占用空间方面。光纤因体积小，普通单芯光纤的直径只有３ｍｍ，而管道直径则至少要几十甚至上百倍于光纤，因此对建筑结构要求十分严格的情况下，光纤传输相对管道则有得天独厚的优势。同时，因为光纤直径小，也十分容易安装固定，管道则无法与之相比。
另外，光损耗相对管道传输也低一些，但是综合来讲，绝大多数情况下，管道传输因为其成本等因素，成为目前比较流行的传输方式选择。
3 节能设备及灯具照明系统
地下空间设施照明的节能主要从控制和节能灯具入手。设计选用了节能灯具，其中主要包括有电磁感应灯（无极灯）、ＬＥＤ灯，荧光灯采用Ｔ５型配套节能镇流器。
电磁感应灯由于突破了传统的白炽灯、气体放电灯的发光机理，成为人们公认的新一代光源。其具有高光效、长寿命、高显色性、光线稳定的光通量。
ＬＥＤ灯发光效率高，最少的能源可打造最明亮的空间，为用户节省大量用电负荷；同时其热量低，能有效降低空调负载。据比较ＬＥＤ灯比紧凑型荧光灯（节能灯）节能达到５０％，在地下工程中使用三年内即可收回投资。ＬＥＤ灯寿命可达３００００h，大大降低维护成本。ＬＥＤ光源可视光域无红外线及紫外线，不会出现被照物受其影响而褪色及受损，在商铺和珠宝店铺能得到广泛应用。ＬＥＤ灯不含汞，对环境影响小。
针对照明系统，设计采用智能照明技术，通过改变用电系统的使用功率达到使用和节能的最佳状态，节电率提高到２５％～５０％.地下工程缺少自然光，主要需求人工照明，所以说这种技术可以在地下公共建筑的节能中效果显著。
应设计选用节能减噪设备及节水器具等，上述设备及系统较为成熟，使用也较普遍。
4 智能化监控系统
4.1 原理及概念
工程智能化自动控制系统，对通风、空调、给排水、照明等进行控制，达到节能的目的。结合工程智能化自动控制及数据显示，采用温湿度独立调节空凋系统解决地下工程夏季湿度过大等问题。
4.2 分类及特点
通风空调系统智能化控制，通风空调系统是地下工程不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占工程总电能消耗的５０％.由于通风空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在７０％以下运行。通常通风空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在１００％负载下运行，造成了能量的极大浪费，恶化了中央空调的运行环境和运行质量。
随着智能化技术的日益成熟，利用变频器、ＰＬＣ、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的。
变频调速供水设备结构紧凑，占地面积小，投资省。它采用进口变频器及相关元器件，性能可靠，全自动运行无人值守。设备可自由设定管网压力，按实际用水量来调节水泵转速，使其始终处于高效运转状态，节能效果显著。设备控制程序化，可按用户需要实现多种控制方式。可实现定时开关系统、消防联动、小流量和零流量自动关机睡眠、上位机集中管理等。工程通风机、空调水泵等设备采用变频技术，可依据空调负荷及风量大小进行变频，降低运行耗能。另外对空调供回水采用７℃大温差，降低了系统输送能耗。工程在不同地点设置全热回收系统，将排风中的能量回收，达到节能的效果。
变频调速供水设备主要由主泵组、变频调速供水控制系统、稳压泵组、稳压气压罐等组成。供水主泵组主要由立式多级离心泵或立式多级不锈钢冲压离心泵和以槽钢和钢板焊接制成的钢制基础构成；变频调速供水控制系统主要由交流变频控制器、可编程控制器、数字ＰＩＤ调节器、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器等组成；稳压泵组主要由一至二台小流量水泵构成，其供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。它只在管网小流量或零流量时自动投入运行，维持管网的压力，补充小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态；气压罐是一种密闭容器。大流量供水时，由水泵加压，罐内贮存的气体被压缩。在小流量或零流量供水时，被压缩的气体泄压膨胀，将贮存在罐内的水压入输配水管网，补充用户的小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在小流量和零流量用水时处于停机状态。
5 水源热泵、地源热泵
5.1 原理及概念
地源热泵中央系统是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵系统由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。
地源热泵系统运行稳定，高效、环保节能，主要有以下优点：（１）节能省费用，冬季运行时，ＣＯＰ约为４．０，即投入１ｋＷ电能，可得到４ｋＷ以上的热能，夏季运行时，ＣＯＰ约为５．０，投入１ｋＷ电能，可得到５ｋＷ以上的冷量，能源利用效率为电采暖方式的３~４倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。比常规空气源空调节能３０％~５０％；（２）环保：供热时没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省了冷却塔，避免了噪音及霉菌污染；（３）节省占地面积：省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象；（４）安全：无燃烧设备，从而不存在爆炸、失火和中毒的隐患；（５）机组寿命长：热泵机组长期在良好的低温井水（１６℃）下进行热交换工作，可大大延长机组寿命；（６）一机多用：地源热泵系统可供暖，空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；（７）可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。
5.2 分类及特点
（１）地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。其最大优点是非常经济，占地面积小，但要注意必须符合下列条件：水质良好；水量丰富；回灌可靠；符合标准。
（２）方式一水平埋管地源热泵系统；方式二垂直埋管地源热泵系统。两种方式都归属于地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统。还有另外一个术语叫地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。对于垂直式埋管系统，其优点有：较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；对于水平式埋管系统，其优点有：安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点是占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。
（３）地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。其优点有：在１０m或更深的湖中，可提供１０℃的直接制冷，比地下埋管系统投资要小，水泵能耗较低，高可靠性，低维修要求、低运行费用，在温暖地区，湖水可做热源，其缺点是在浅水湖中，盘管容易被破坏，由于水温变化较大，会降低机组的效率。
（４）单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为“热井”。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施．热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为１５０ｍｍ，孔深４５０ｍ.该系统适用于岩石地质地区，该地区岩石钻孔费用高，而与岩石直接换热，大大提高换热效率，节省钻孔、埋管费用。须得注意分析具体地质情况，做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。
（５）锅炉／冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统：适用于空间小，不能单独采用地下埋管换热系统的建筑或内外分区冬季有大量可利用的排热的建筑物，冷却塔和闭环式系统相结合制冷，节省成本；事实证明该系统是高效率、低费用的。它的补充热源有水地源、太阳能、电锅炉、城市热网等，额外排热由冷却塔或水地源来解决。其系统的设计需要详细计算各季节的散热与排热及总的中和后的散热或排热量来选择热源和冷却塔。
6 生态化补偿技术
工程设计中可采用下沉式广场、采光井、采光天窗等方式达到自然光的引入，通过绿化处理以及景观效果，配以引人注目的灯光，达到吸引客源的目的。符合现场自然条件的优化与提升原则，实现商业建筑与地下工程的融合。人性化商业空间的创造，为市民提供优质的环境。采用园林景观小品、铺装材料及植物材料的选用与建筑风格、建筑色彩及周围环境协调一致。根据工程使用功能，设计着力于地下商业氛围的营造，营造出一个风格现代、尺度宜人、功能合理的活动空间。

节能设计地下工程工程节能