地源热泵技术在西部地区公路建筑中的应用分析

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【摘 要】 简要分析了各类热泵的优缺点，对地源热泵在西部地区公路建筑中应用的可行性进行了必要的分析，为今后特殊环境下的公路建筑的供热制冷设计提供了依据。

【关键词】 地源热泵 冷热源

公路建筑是指高速公路沿线的管养服务设施，包括收费站服、务区等。高速公路沿线管养服务设施一般地处城市以外的山区、戈壁、沙漠、旱区、寒区、林区等特殊领域环境，气候条件复杂多样，而且其建筑设计规模小、造型较复杂、综合性强、体型系数和窗墙比偏大，耗能较大，从而造成后期营运费用过高。尤其对甘肃省高速公路沿线收费管养服务设施而言，目前在建筑节能、暖通等方面能耗较大，而且污染物排放量较大，对于环境保护目标的实现存在的问题比较多。

在常规的暖通专业设计中，考虑到没有可使用的清洁能源，一般情况都采用燃煤热水锅炉来提供采暖热媒，但是在使用的同时，对周围环境造成了一定的污染，并且，由于气候条件差，堆煤场的设置也存在一定的困难。尤其是在河西走廊地区更是如此。正是基于这种实际情况，需要找到一种对环境友好、且能重复利用、节能环保的新型供热制冷技术来达到此要求，而热泵技术正是符合上述要求的。

热泵能量转换，是利用压缩机的作用，通过消耗一定的辅助能量（如电能），在压缩机和换热系统内循环的制冷剂共同作用下，由环境热源（如水、空气）中吸取较低温度热能，然后转换为较高温热能释放至循环介质（如水、空气）中成为高温热能输出。在此因压缩机的运转做工而消耗了电能，压缩机的运转使不断循环的制冷剂在不同的系统中产生的不同的变化状态和不同的效果（即蒸发吸热和冷凝放热），从而达到了回收低温热源支取高温热源的作用和目的，其原理图如图1示。

根据热泵运行中所需冷却介质不同一般将其划分为空气源热泵、土壤源热泵和水源热泵。

空气源热泵利用空气作为冷热源，由于其安装和使用都比较方便，故得到广泛应用，发展历史悠久。但由于地区空气温度的差别，在我国应用范围是长江以南地区；在西北地区，冬季平均温度低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。

水源热泵需要丰富的水资源，其在沿海城市和沿江河区域发展较为广泛，水源热泵工程的采用必须全面考虑当地气候条件及水量、水质、水温等综合条件，优化布井，提供能源利用效率。水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

与传统供热系统相比，水源热泵具明显的优势。其优点如下：

（1）高效节能：水源热泵是目前空调系统中能效比（COP值）最高的制冷、制热方式，理论计算可达到7，实际运行为4～6。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12～22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度为18～35℃，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.3～5.0kW.h的热量或5.4～6.2kW.h的冷量。运行费用仅为普通中央空调的40～60%。

（2）经济环保，应用广泛，一机多用，安装容易。水源热泵机组运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，是理想的绿色环保

（3）符合国家政策，获得政策性支持。

土壤源热泵系统分类为水平地埋管热泵系统和垂直地埋管热泵系统，主要应用形式有闭式环路土壤源热泵、地下耦合热泵和埋管式土壤源热泵。土壤是一个巨大的蓄热体，研究表明，距离地表以下5m土壤温度基本不受地面温度波动的影响保持一个恒定值，地下约10m深处的土壤温度比之全年平均温度在多数情况下高出1-2℃，并且几乎无季节性波动，故土壤源热泵在全国范围内得到了广泛应用，并由于其环保无污染得到了政府的大力支持。土壤源热泵主要利用地热资源实现高位能源转移，土壤源热泵在我国内地应用最广，优点如下：

（1）属可再生能源利用技术：土壤源地源热泵是利用浅层土壤作为冷热源，冬季循环液从地下收集热量并通过耦合热泵式系统送入建筑物，而夏季系统则反过来吸收从建筑物里排出热量，而使得其冷却，并且将排出的热量通过耦合热泵式中央空调系统储存到地下，这个过程在夏天可以制造免费的热水。

（2）经济高效：浅层土壤的温度一年四季相对稳定，与气温相比，其冬热夏冷的温度特性使得土壤源热泵的制冷、制热系数常年维持在4.5～5.5之间。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用。另外，地球表面或浅层土壤温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

（3）环境效益显著：土壤源热泵技术利用地表土壤的过程当中，不会引起任何的地下或地表水污染，因此，土壤源热泵是一种清洁能源方式。根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在4-7年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。

试验路段地处甘肃省河西地区，具有风沙大、少雨、干旱、日照充足等特点，在这些地区地下水匮乏，室外气温偏低，所以，我们认为选择地源热泵最为可行。通过对地源热泵系统节能技术的深入研究，利用地表浅层及浅层水源的温度特性进行空调制冷和制热技术的探究和应用，提供高效节能、稳定可靠的冷媒和热媒，从而实现真正意义上的无环境污染节能技术的应用。这种能量来源于自然能源的“绿色系统”，不仅后期运营、维护费用低，而且使用寿命长、节省空间，被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的制冷供热方式。

甘肃长达路业有限责任公司作为建设单位的营盘水（甘宁界）至（古浪）双塔高速公路，是甘肃省高速公路网的组成部分，是省域干线公路网的重要组成路段，是联结河西走廊各地区及新疆与华东各地的纽带，也是甘肃省的北大门之一。路线连接甘肃白银、武威两大工业、农业城市，对两个城市之间的经济、技术交流带来很大的方便。本项目局部路段位于戈壁沙漠区，营双路横贯东西，气候跨度也比较大，建筑环境特殊，可以以此路段为依托，选择合适站点。

甘肃省营盘水至双塔高速公路共有站点11处，其中收费站5处，服务区3处，养护工区2处，主线治超站1处，通过对所有站点进行综合分析后，最后选定大靖匝道收费站作为试验站点，主要是因为站点所要采暖的建筑面积小，站点的室外场区面积大，利于打井埋设换热管，该站点综合楼为地上三层（局部四层），建筑主体高度为15.45米，总建筑面积为1743m2。

在设计时，按规范要求对建筑物进行了严格的冷热负荷计算，室外采暖计算温度为-12℃，总采暖/制冷负荷为188Kw/133Kw，并且根据地源热泵的特点，将楼内系统设计为：夏季采用风机盘管+新风的方式进行制冷，冬季采用地板辐射采暖方式进行制热，提高冬季的舒适度。根据冷热负荷值，设计时确定每口井井深为100米，共布设36口，每口井换热量为5KW，但是后期施工过程中，发现地质条件比较恶劣，下部有大量的卵石，钻头无法工作，最终协商将打井高度改为60米，增加井数，以达到设计要求。

在热泵技术的应用中，前期的投资费用较锅炉房偏大，但是后期运营费用低，而且不需要专职人员操作。同时又可以提供夏季制冷，提高了收费管理人员的生活舒适度。对环境没有污染。

此次的有效尝试，我们认为对今后的公路建筑的采暖空调设计具有很大的意义，使暖通专业设计技术向对环境更加友好的方向发展。在特殊领域环境建筑设计中研究节能技术的应用，探索清洁能源的应用，对节能技术的研究应用和推广，具有非常重要的现实意义。