330-超深地下空间水系统两级换热技术及冷量损失分析.pdfVIP

超深地下空间水系统两级换热技术及冷量 损失分析 1 吴超 ，张旭，栗悦 同济大学 机械与能源工程学院 0 引言 地下工程在工业、商业方面已得到广泛应用，如地下商业广场、水电站等，按埋深不 同可分为浅埋地下建筑和深埋地下建筑，一般认为覆盖层厚度大于12 米的建筑可视为深埋 地下建筑。传统地上建筑所采用的暖通空调设备基本均可应用于深埋地下建筑，但是其负 荷特性与地上建筑有较大差别，主要是由围护结构传热传湿的特性不同所引起的。 随着城市建设的快速发展，各式各样的高层建筑及深埋地下建筑日趋普遍，与此同时 带来的水系统竖向分区减压问题也日趋棘手，而使用减压阀减压的给水方式无疑有较多优 点[1-4] ，如减少占用的建筑面积、节省投资、缩短工期、避免水箱二次污染和减少水流噪声 等，同时派生的优点还有减少水泵数量、简化水系统等，因此减压阀的应用前景很广泛， 但其在深埋地下建筑中使用的可行性有待探讨，同时也引起了国内外众多研究人员的兴 趣。 Jin[5]等对多级减压阀的流量和温度特性进行了数值分析，结果表明对于过热蒸汽流 动，随着阀门开口增加，湍流耗散率及压力损失逐渐增大，而温度无明显变化；Chen[6]等 对多级高压减压阀的强度进行研究，通过建立数学模型，并将计算流体动力学（CFD ）用 于模拟分析阀门内流场及热机械应力，结果表明从内壁到外壁的径向方向是阀体的主要传 热方向，并对两项几何参数进行了优化；Maurizio[7]等研究了如何合理定位输配水系统管网 中减压阀的位置以便最大程度地发挥其有效性并尽可能减少水头损失，同时针对多余的水 头损失通过使用涡轮机来水力发电，并提出不同的目标函数来实现能量输出的最大化； Matteo[8]等提出了应用于真实输配水系统的两种优化方法，一种涉及基于单目标、实数编 码遗传算法的模型校准，另一种涉及最佳泄漏管理的问题。本文就超深地下空间项目江门 中微子实验站中遇到的水系统设计问题，对使用两级换热分区与分级设置减压阀两种方案 进行比选，分析其在项目中的可行性，并通过建模以及理论计算的方法来定量探讨这两种 方案在输配管网中输送冷冻水的冷量损失。 1 工程概况及实验站技术要求 第一作者：吴超（1991.09），男，博士生，201804，上海市嘉定区曹安公路4800 号同济大学开物馆314 ， 1030689601@ 1.1 工程概况 江门中微子实验站位于广东省江门市西南开平市金鸡镇与赤水镇交界处打石山一带， 是中国科学院高能物理研究所为解决中微子的质量顺序问题所建设的实验支撑平台项目， 项目的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，它对人类了解物质微 观的基本结构和宏观宇宙的起源与演化具有重要意义。该实验站由地下实验洞室群和地上 2 2 附属建筑构成，工程总建筑面积约13497.6m ，地下建筑面积约5521m ，埋深700m，实 验站整体鸟瞰图如图1.1 所示，地下实验洞室群包括地下实验大厅及其附属洞室、交通隧 道、实验厅水池、斜井、竖井等，其总体布置及尺寸如图1.2 所示。 图1.1 江门中微子实验站整体鸟瞰图 图1.2 地下实验站总体布置图 1.2 技术要求 为保证中微子探测实验的运行，在实验站探测器安装期和运行期均分别对实验厅有不 同环境温湿度要求，如图1.3 和图1.4 所示。出于工程实际情况，制冷机房只能设在地面， 导致制冷机房与实验厅相对高差达525m，故如何解决水系统的静水压力太大带来的系统设 备承压问题成为重中之重。 图1.3 地下实验站安装期设计规划图 图1.4 地下实验站运行期设计规划图 2 两级换热分区和分级设置减压阀方案的比选 江门中微子实验站要求从地面向地下实验厅输送低温冷冻水，相对高差达525m，相当 于160-170 层高的大楼，水系统静水压力太大，考虑到系统设备的承压能力，目前有两种方 案来降低水系统的静压，一是通过对水系统两级换热分区处理，在-150m 和-345m 高程处设 置水-水板式换热器，将上一级的低温冷冻水经换热器转换到下一级闭式循环，共设 3 级闭