郝志强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地源热泵是一种以浅层土壤温度常年恒定的特点为建筑供冷、供暖的可再生能源利用技术。由于项目实施需要的占地面积相对较大（主要涉及地埋管换热井的布置），地源热泵技术在建筑领域尤其是大型建筑中的推广应用受到一定的局限[1]。

高速公路服务站区往往远离城镇，具有占地面积大、容积率小等特点，室外停车场、绿化带可以满足地埋管换热井的布置需求，适合地源热泵技术的工程实施。在北方高速公路服务站区使用该技术不仅可以满足冬季供暖需求，还可以解决燃煤锅炉供暖带来的环境污染问题[2]。交通运输环境保护“十二五”试点建设项目——山西高速河津服务区地源热泵利用技术改造项目通过采用地源热泵取代传统的分体式空调和燃煤锅炉为服务区夏季供冷、冬季供暖，从而实现服务区大气污染物的零排放，节能减排效益显著。

1 工程概况

项目所在地位于山西省河津市，属暖温带大陆性半干旱季风气候区，气候基本特征是冬夏风向更替明显，冬季干旱寒冷，夏季炎热多雨，历年平均气温12.2～13.6℃，平均降水量为542.8～590 mm，年太阳能辐射量在4 666 MJ／m2以上。根据山西省各市县所属气候子区的划分，项目所在地属于寒冷（B）区。

河津服务区分为南、北两个区建设，占地面积总计72亩。服务区内设有餐厅、超市、客房、加油站、汽修厂等服务设施，建筑面积5 999 m2，其中南区1 976 m2，北区 4 023 m2。

2 设计方案

本项设计一套地源热泵系统为服务区南、北两个区供冷供暖，设计总冷负荷775.5 kW，总热负荷490 kW。根据土壤热物性测试报告，项目所在地浅层土壤初始温度16.8℃，平均导热系数1.517 W/（m·℃）。本项目设置室外地埋管换热井238口，井深100 m，间距5 m，换热井回填料为10%的膨润土+90%SiO2砂子混合物[3]，水平埋管均采用聚氨酯发泡保温。机房设置制冷量803 kW/制热量865 kW的螺杆式地源热泵机组1台，制冷工况下，蒸发器进出水温度为12℃/7℃,冷凝器进出水温度为20℃/25℃；制热工况下，蒸发器进出水温度为13℃/8℃,冷凝器进出水温度为45℃/50℃。水源水循环泵选用1台流量为100 m3/h和2台流量为125 m3/h的水泵并联运行,水泵扬程均为30 m。冷热水循环泵的配置与水源水循环泵相同。

图1 河津服务区地源热泵系统原理图

如图1所示，夏季，地埋管换热器从浅层土壤中换取冷量，经地源热泵机组提升冷量品质后为室内供冷；冬季，地埋管换热器从浅层土壤中换取热量，经地源热泵机组提升热量品质后为室内供暖。另外，根据技术特点分别在冷热水循环管路和水源水循环管路间增设阀门11和12。夏季低负荷供冷时通过阀门调节，实现水源水循环管路和冷冻水循环管路的连通，水源水循环液不经过热泵机组和冷热水循环泵直接进入冷热水循环管路供冷，此举在低负荷时可以有效降低系统用电量。

3 运行能耗分析

系统运行能耗Q可用下式计算：

式中：Q为系统运行能耗，kW·h；W为平均输入功率，kW；t为平均运行时间，h。

地源热泵系统的主要能耗设备有地源热泵机组、循环水泵和末端风机盘管。其中地源热泵机组可根据实际运行负荷自动调整输入功率，阀门切换和水泵的开启由手动调节实现，地源热泵机组与水源水循环泵实行联动控制，当地源热泵出水温度达到设定的要求时，水源水循环泵和地源热泵机组自动关闭。机房主要设备配置见表1。

表1 机房主要耗电设备配置表

3.1 夏季运行能耗

河津服务区夏季供冷从6月15日开始到10月13日结束，共120 d，按每20 d为一个阶段，运行初期和后期，采用水源水循环液直接供冷。具体运行状况见表2。

表2 夏季空调运行情况

3.2 冬季运行能耗

河津服务区冬季供暖从11月15日开始到次年3月15日结束，共120 d，按每20 d为一个阶段，各个阶段均开启地源热泵机组和对应的循环水泵，具体运行状况见表3。

表3 冬季供暖运行情况

4 运行效益分析

4.1 节能减排效益

改造前，服务区每年夏季空调用电7.83万kW·h，冬季供暖用电4.40万kW·h，消耗燃煤333.60 t，燃煤锅炉每年向大气排放SO25.33 t，烟尘16.68 t，炉渣96.08 t；改造后，服务区每年空调采暖总计用电25.59万kW·h，且不再使用燃煤锅炉，不再排放大气污染物和炉渣。

4.2 经济效益

地源热泵技术改造前，河津服务区每年空调供暖用电费用总计12.23万元，燃煤费用26.69万元，管理费用3.0万元（主要为冬季锅炉维护，3人，2 500元/（人·月）），运行费用总计41.92万元；改造后，地源热泵系统实现自动控制，维护由服务区水电工作人员经过简单培训后兼任，用电费用即为运行费用，为25.59万元,每年节约运行费用38.96%（电费以1.0元/kW·h计，燃煤以800元/t计）。

4.3 社会效益

目前，高速公路服务站区能源消耗量大、污染严重的问题日益凸显，不少北方高速公路服务站区因环保不达标而被当地环保部门限期关闭燃煤锅炉。以山西为例，“十二五”期间山西省高速公路总里程将达到6 300 km，届时配套服务站区的建筑面积将达到84万m2，按现有服务区的能耗状况计算，每年消耗燃煤7万t，向大气排放锅炉烟尘1 500 t，排放二氧化硫640 t，排放炉渣9 600 t。地源热泵的使用将实现服务站区大气污染物的零排放，同时可以大幅减少固体污染物的排放。

5 建议

a）地源热泵技术实施前，需要对服务站区的空调采暖需求、地质状况、土壤热物性参数等进行综合分析，考虑辅助冷热源的必要性及地埋管侧循环液是否需要采用防冻液，保证使用效果。

b）地源热泵技术的核心在于室外地埋管部分，设计时一切以有利于地埋管换热器传热、有利于土壤温度场稳定、有利于减少连接管路的热损为主要原则，对地下换热井的回填材料和方式、水平管的保温、排气和回填等因素进行综合考虑。

c）地源热泵技术的节能、环保以及经济效益的提升还有赖于系统运行管理的科学性，包括设备开启、冷热水供水温度、末端风机盘管的控制温度等。

d）地源热泵与服务站区建筑的设计（窗墙比、保温材料、进出通道等）结合使用，效果更佳。

6 结束语

目前，我国北方高速公路服务站区冬季大多采用燃煤锅炉供暖，造成大量空气污染物和固体垃圾的排放，不仅给周边的生态环境带来了破坏，还增加了服务站区的运营负担。地源热泵充分利用服务站区的建筑设计特点，以浅层土壤作为蓄热载体夏季供冷冬季供暖，无污染，零排放，实现服务站区的环保运行，效益显著，推广应用前期广阔。