郝志強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地源熱泵是一種以淺層土壤溫度常年恒定的特點為建筑供冷、供暖的可再生能源利用技術。由于項目實施需要的占地面積相對較大（主要涉及地埋管換熱井的布置），地源熱泵技術在建筑領域尤其是大型建筑中的推廣應用受到一定的局限[1]。

高速公路服務站區(qū)往往遠離城鎮(zhèn)，具有占地面積大、容積率小等特點，室外停車場、綠化帶可以滿足地埋管換熱井的布置需求，適合地源熱泵技術的工程實施。在北方高速公路服務站區(qū)使用該技術不僅可以滿足冬季供暖需求，還可以解決燃煤鍋爐供暖帶來的環(huán)境污染問題[2]。交通運輸環(huán)境保護“十二五”試點建設項目——山西高速河津服務區(qū)地源熱泵利用技術改造項目通過采用地源熱泵取代傳統(tǒng)的分體式空調(diào)和燃煤鍋爐為服務區(qū)夏季供冷、冬季供暖，從而實現(xiàn)服務區(qū)大氣污染物的零排放，節(jié)能減排效益顯著。

1 工程概況

項目所在地位于山西省河津市，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，氣候基本特征是冬夏風向更替明顯，冬季干旱寒冷，夏季炎熱多雨，歷年平均氣溫12.2～13.6℃，平均降水量為542.8～590 mm，年太陽能輻射量在4 666 MJ／m2以上。根據(jù)山西省各市縣所屬氣候子區(qū)的劃分，項目所在地屬于寒冷（B）區(qū)。

河津服務區(qū)分為南、北兩個區(qū)建設，占地面積總計72畝。服務區(qū)內(nèi)設有餐廳、超市、客房、加油站、汽修廠等服務設施，建筑面積5 999 m2，其中南區(qū)1 976 m2，北區(qū) 4 023 m2。

2 設計方案

本項設計一套地源熱泵系統(tǒng)為服務區(qū)南、北兩個區(qū)供冷供暖，設計總冷負荷775.5 kW，總熱負荷490 kW。根據(jù)土壤熱物性測試報告，項目所在地淺層土壤初始溫度16.8℃，平均導熱系數(shù)1.517 W/（m·℃）。本項目設置室外地埋管換熱井238口，井深100 m，間距5 m，換熱井回填料為10%的膨潤土+90%SiO2砂子混合物[3]，水平埋管均采用聚氨酯發(fā)泡保溫。機房設置制冷量803 kW/制熱量865 kW的螺桿式地源熱泵機組1臺，制冷工況下，蒸發(fā)器進出水溫度為12℃/7℃,冷凝器進出水溫度為20℃/25℃；制熱工況下，蒸發(fā)器進出水溫度為13℃/8℃,冷凝器進出水溫度為45℃/50℃。水源水循環(huán)泵選用1臺流量為100 m3/h和2臺流量為125 m3/h的水泵并聯(lián)運行,水泵揚程均為30 m。冷熱水循環(huán)泵的配置與水源水循環(huán)泵相同。

圖1 河津服務區(qū)地源熱泵系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，夏季，地埋管換熱器從淺層土壤中換取冷量，經(jīng)地源熱泵機組提升冷量品質(zhì)后為室內(nèi)供冷；冬季，地埋管換熱器從淺層土壤中換取熱量，經(jīng)地源熱泵機組提升熱量品質(zhì)后為室內(nèi)供暖。另外，根據(jù)技術特點分別在冷熱水循環(huán)管路和水源水循環(huán)管路間增設閥門11和12。夏季低負荷供冷時通過閥門調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水源水循環(huán)管路和冷凍水循環(huán)管路的連通，水源水循環(huán)液不經(jīng)過熱泵機組和冷熱水循環(huán)泵直接進入冷熱水循環(huán)管路供冷，此舉在低負荷時可以有效降低系統(tǒng)用電量。

3 運行能耗分析

系統(tǒng)運行能耗Q可用下式計算：

式中：Q為系統(tǒng)運行能耗，kW·h；W為平均輸入功率，kW；t為平均運行時間，h。

地源熱泵系統(tǒng)的主要能耗設備有地源熱泵機組、循環(huán)水泵和末端風機盤管。其中地源熱泵機組可根據(jù)實際運行負荷自動調(diào)整輸入功率，閥門切換和水泵的開啟由手動調(diào)節(jié)實現(xiàn)，地源熱泵機組與水源水循環(huán)泵實行聯(lián)動控制，當?shù)卦礋岜贸鏊疁囟冗_到設定的要求時，水源水循環(huán)泵和地源熱泵機組自動關閉。機房主要設備配置見表1。

表1 機房主要耗電設備配置表

3.1 夏季運行能耗

河津服務區(qū)夏季供冷從6月15日開始到10月13日結(jié)束，共120 d，按每20 d為一個階段，運行初期和后期，采用水源水循環(huán)液直接供冷。具體運行狀況見表2。

表2 夏季空調(diào)運行情況

3.2 冬季運行能耗

河津服務區(qū)冬季供暖從11月15日開始到次年3月15日結(jié)束，共120 d，按每20 d為一個階段，各個階段均開啟地源熱泵機組和對應的循環(huán)水泵，具體運行狀況見表3。

表3 冬季供暖運行情況

4 運行效益分析

4.1 節(jié)能減排效益

改造前，服務區(qū)每年夏季空調(diào)用電7.83萬kW·h，冬季供暖用電4.40萬kW·h，消耗燃煤333.60 t，燃煤鍋爐每年向大氣排放SO25.33 t，煙塵16.68 t，爐渣96.08 t；改造后，服務區(qū)每年空調(diào)采暖總計用電25.59萬kW·h，且不再使用燃煤鍋爐，不再排放大氣污染物和爐渣。

4.2 經(jīng)濟效益

地源熱泵技術改造前，河津服務區(qū)每年空調(diào)供暖用電費用總計12.23萬元，燃煤費用26.69萬元，管理費用3.0萬元（主要為冬季鍋爐維護，3人，2 500元/（人·月）），運行費用總計41.92萬元；改造后，地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，維護由服務區(qū)水電工作人員經(jīng)過簡單培訓后兼任，用電費用即為運行費用，為25.59萬元,每年節(jié)約運行費用38.96%（電費以1.0元/kW·h計，燃煤以800元/t計）。

4.3 社會效益

目前，高速公路服務站區(qū)能源消耗量大、污染嚴重的問題日益凸顯，不少北方高速公路服務站區(qū)因環(huán)保不達標而被當?shù)丨h(huán)保部門限期關閉燃煤鍋爐。以山西為例，“十二五”期間山西省高速公路總里程將達到6 300 km，屆時配套服務站區(qū)的建筑面積將達到84萬m2，按現(xiàn)有服務區(qū)的能耗狀況計算，每年消耗燃煤7萬t，向大氣排放鍋爐煙塵1 500 t，排放二氧化硫640 t，排放爐渣9 600 t。地源熱泵的使用將實現(xiàn)服務站區(qū)大氣污染物的零排放，同時可以大幅減少固體污染物的排放。

5 建議

a）地源熱泵技術實施前，需要對服務站區(qū)的空調(diào)采暖需求、地質(zhì)狀況、土壤熱物性參數(shù)等進行綜合分析，考慮輔助冷熱源的必要性及地埋管側(cè)循環(huán)液是否需要采用防凍液，保證使用效果。

b）地源熱泵技術的核心在于室外地埋管部分，設計時一切以有利于地埋管換熱器傳熱、有利于土壤溫度場穩(wěn)定、有利于減少連接管路的熱損為主要原則，對地下?lián)Q熱井的回填材料和方式、水平管的保溫、排氣和回填等因素進行綜合考慮。

c）地源熱泵技術的節(jié)能、環(huán)保以及經(jīng)濟效益的提升還有賴于系統(tǒng)運行管理的科學性，包括設備開啟、冷熱水供水溫度、末端風機盤管的控制溫度等。

d）地源熱泵與服務站區(qū)建筑的設計（窗墻比、保溫材料、進出通道等）結(jié)合使用，效果更佳。

6 結(jié)束語

目前，我國北方高速公路服務站區(qū)冬季大多采用燃煤鍋爐供暖，造成大量空氣污染物和固體垃圾的排放，不僅給周邊的生態(tài)環(huán)境帶來了破壞，還增加了服務站區(qū)的運營負擔。地源熱泵充分利用服務站區(qū)的建筑設計特點，以淺層土壤作為蓄熱載體夏季供冷冬季供暖，無污染，零排放，實現(xiàn)服務站區(qū)的環(huán)保運行，效益顯著，推廣應用前期廣闊。