地源熱泵技術(shù)在高速公路節(jié)能減排建設(shè)中的應(yīng)用適應(yīng)性探析

柴 智，曹 江，陳 敏

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.中公高科養(yǎng)護(hù)科技股份有限公司，北京 100085；3.廣東廣樂(lè)高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

地源熱泵是一項(xiàng)節(jié)能高效的綠色環(huán)保技術(shù)，在當(dāng)前能源日益緊張的時(shí)期，地源熱泵被廣泛應(yīng)用于住宅、公共場(chǎng)館等建筑項(xiàng)目中，取得了顯著的節(jié)能效益。在公路行業(yè)中，地源熱泵的應(yīng)用還尚未推廣普及。公路項(xiàng)目具有區(qū)別于普通房建項(xiàng)目的特點(diǎn)，地源熱泵能否適應(yīng)于公路項(xiàng)目特別是高速公路節(jié)能減排建設(shè)并取得節(jié)能效益，需要認(rèn)真論證其適用性問(wèn)題。本文根據(jù)地源熱泵技術(shù)原理，結(jié)合高速公路應(yīng)用特點(diǎn)，從應(yīng)用適應(yīng)性角度對(duì)地源熱泵在高速公路節(jié)能減排建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

1 地源熱泵技術(shù)原理

熱泵是利用液體蒸發(fā)吸熱、氣體冷凝放熱的原理，通過(guò)輸入能量做功，完成介質(zhì)的“液相—?dú)庀唷合唷毖h(huán)，實(shí)現(xiàn)定向遷移熱量。熱泵由蒸發(fā)吸熱、氣液相轉(zhuǎn)變、冷凝放熱三個(gè)功能區(qū)組成，形成室內(nèi)端熱交換、主機(jī)做功介質(zhì)相變循環(huán)、室外端熱交換的三個(gè)環(huán)路。目前，熱泵主要應(yīng)用于空氣溫度調(diào)節(jié)，室外端在夏季冷凝放熱、冬季蒸發(fā)吸熱，提供常見(jiàn)的空調(diào)作用。因?yàn)闊岜玫陌徇\(yùn)熱量作用，熱泵還被應(yīng)用于提供熱水。

地源熱泵是眾多熱泵形式中的一種，與其他熱泵空調(diào)的區(qū)別在于室外熱交換端，常見(jiàn)熱泵空調(diào)是與室外空氣發(fā)生熱交換，而地源熱泵空調(diào)是與地源發(fā)生熱交換，地源包括地表水、地下水或土壤三類(lèi)，地源相對(duì)室外氣溫季節(jié)波動(dòng)性小、夏低冬高。在相對(duì)低溫中冷凝放熱、相對(duì)高溫中蒸發(fā)吸熱，地源熱泵由此減少了對(duì)介質(zhì)相變循環(huán)做功所需的能量輸入，體現(xiàn)出較其他常規(guī)空調(diào)節(jié)能的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

2 地源熱泵類(lèi)型特點(diǎn)

自1912年Zoelly提出概念，地源熱泵發(fā)展至今已經(jīng)歷百年，根據(jù)地源不同發(fā)展形成了三類(lèi)系統(tǒng)：地表水換熱WSHP（Water－Source Heat Pumps），是與江河、湖塘、水庫(kù)等地表水換熱的系統(tǒng)，分為閉式和開(kāi)式，對(duì)地表水與建筑物距離、水體規(guī)模和水質(zhì)等都有一定要求；地下水換熱GWHP（Ground Water－Source Heat Pumps），是抽取地下水換熱的開(kāi)式系統(tǒng)，分為有回灌和無(wú)回灌，受當(dāng)?shù)厝∮玫叵滤恼哂绊懀瑢?duì)地質(zhì)條件、地下水水量和水質(zhì)等都有一定要求；土壤耦合換熱GCHP（Ground－Coupled Heat Pumps），是與土壤換熱的閉式系統(tǒng)，分為垂直埋管和水平埋管兩種，對(duì)建筑物附近占地有一定要求。

對(duì)于WSHP，地表水距離遠(yuǎn)會(huì)增加管路投入和換熱損耗，水深不夠時(shí)水溫易受氣溫影響，水體體積不夠會(huì)出現(xiàn)積熱升溫，水質(zhì)差易出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢、腐蝕等病害，都會(huì)影響系統(tǒng)效果。對(duì)于GWHP，政策不準(zhǔn)取用地下水時(shí)就無(wú)法實(shí)施，地下水抽取量不夠時(shí)影響換熱甚至無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，水質(zhì)差易出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢、腐蝕等病害，無(wú)回灌方式易造成地下水位下降、地表下陷，有回灌方式的回灌率易受地質(zhì)水文條件影響、易帶入雜質(zhì)污染地下水。對(duì)于GCHP，埋地較淺的水平埋管方式受地質(zhì)條件影響小但易受到地表溫度影響，且占地面積大、上覆層荷載要求小，埋地深的垂直埋管方式不受地表溫度影響、占地小，但建設(shè)成本高、實(shí)施難度受地質(zhì)條件影響大。

地源熱泵的工作原理決定了其功能是提供人居環(huán)境溫度調(diào)節(jié)和熱水供應(yīng)，在高速公路上也是應(yīng)用于服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、管理養(yǎng)護(hù)中心等場(chǎng)站區(qū)的房建空調(diào)和熱水需求。三種地源系統(tǒng)都具有各自特點(diǎn)，在選擇地源系統(tǒng)類(lèi)型時(shí)，需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮，選擇最具可實(shí)施性、系統(tǒng)能效和投資最合理的系統(tǒng)形式。

3 地源熱泵在高速公路中應(yīng)用的適應(yīng)性

高速公路具有路線長(zhǎng)、場(chǎng)站區(qū)分散、人流量波動(dòng)大、房建功能多樣的特點(diǎn)，因此，高速公路項(xiàng)目中使用的空調(diào)系統(tǒng)除滿足一般房建暖通需求外，更多考慮滿足不同功能區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單的要求。

3.1 用地條件決定高速公路中應(yīng)用地源熱泵有更多選型自由

一般商業(yè)民用建筑、公共場(chǎng)館的容積率都在1以上，而高速公路場(chǎng)站區(qū)的容積率大多小于0.5，因此單位空調(diào)負(fù)荷下可供埋設(shè)地下?lián)Q熱管路的用地面積更多。高速公路場(chǎng)站區(qū)多在野外，附近具有天然水體的可能性較城鎮(zhèn)建筑更高，且附近居民聚居點(diǎn)少，取用地下水對(duì)周邊的影響也比城鎮(zhèn)建筑小很多，因此，高速公路上采用地源熱泵不但可以考慮采用一般城市集中建筑中采用的地下水源或垂直埋管，還有更多機(jī)會(huì)考慮地表水源或占地面積更大的水平埋管，更具備系統(tǒng)自由選型的用地條件。

3.2 地源熱泵適應(yīng)性廣，可滿足高速公路應(yīng)用中復(fù)雜的功能需求

我國(guó)地域廣闊，南北氣候差異顯著，高速公路人居環(huán)境有北方的冬季極寒也有南方的夏季高溫，場(chǎng)站區(qū)有辦公、住宿、餐飲超市公共區(qū)、監(jiān)控機(jī)房等多樣的房建功能環(huán)境，氣溫高低、建筑環(huán)境不同對(duì)空調(diào)的使用需求不同，根據(jù)對(duì)全國(guó)范圍的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)地源熱泵應(yīng)用具有以下應(yīng)用特點(diǎn)。

3.2.1 應(yīng)用地域環(huán)境廣

地源熱泵南方、北方都有應(yīng)用，住宅、辦公、公共場(chǎng)所、商業(yè)用地都適用，既有在開(kāi)敞大廳中使用的、也有在封閉居室中使用的，既有用于幾十萬(wàn)平米住宅小區(qū)的、也有用于幾十平米會(huì)議室的。

3.2.2 換熱端、室內(nèi)端、機(jī)組、系統(tǒng)形式多樣

換熱端系統(tǒng)既有某度假村采用的地表水換熱，也有某機(jī)關(guān)大院的地下水換熱，還有某高速嘗試應(yīng)用的土壤換熱，說(shuō)明換熱端形式多樣，可根據(jù)實(shí)際靈活選擇；室內(nèi)端既有某科研所采用的落地風(fēng)柜，也有某酒店采用的固定吊頂風(fēng)盤(pán)，還有某高校采用的輻射頂板，既有上下送風(fēng)的對(duì)流方式、也有輻射方式，說(shuō)明室內(nèi)端形式多樣，可結(jié)合房建人居需求靈活選擇；機(jī)組既有螺桿機(jī)、渦旋機(jī)也有離心機(jī)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在大中型場(chǎng)合多用離心機(jī)或螺桿機(jī)、小型場(chǎng)合多用渦旋機(jī)，機(jī)房根據(jù)機(jī)組配備既有占地幾百平米的地下室專用機(jī)房、也有2～3m2的簡(jiǎn)易棚屋、還有露天放置的設(shè)備柜，說(shuō)明機(jī)組機(jī)房選型多樣、廠家技術(shù)支持和選配經(jīng)驗(yàn)豐富，可根據(jù)需要靈活選擇。系統(tǒng)選擇時(shí)既有某高速的單機(jī)機(jī)房、也有某高校的模塊機(jī)組集中機(jī)房、還有某酒店的分布于各客房衛(wèi)生間吊頂內(nèi)的分體多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，說(shuō)明系統(tǒng)組合形式多樣，可根據(jù)房建功能靈活配置設(shè)計(jì)。

3.2.3 服務(wù)水平與普通空調(diào)相同

空調(diào)系統(tǒng)既有制冷、供暖、供應(yīng)生活熱水，也有單獨(dú)制冷。與普通中央空調(diào)附設(shè)鍋爐的系統(tǒng)相比，冷暖皆供比單獨(dú)制冷的系統(tǒng)整體運(yùn)行節(jié)省高，說(shuō)明地源熱泵空調(diào)冷暖皆供時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。本文研究調(diào)查某酒店項(xiàng)目時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)正處于夏季制冷期，從室內(nèi)控制器上看出表顯最低溫能達(dá)到18℃，溫度高低可通過(guò)風(fēng)量風(fēng)速調(diào)控，同時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)音量為43dB，而正常交談時(shí)的室內(nèi)音量在50～60dB，使用3～5年以上的普通空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下室內(nèi)音量在45～55dB，說(shuō)明地源熱泵空調(diào)制冷效果很好、且噪聲影響更小，服務(wù)水平與普通空調(diào)無(wú)異。

因此，地源熱泵技術(shù)完全滿足高速公路房建復(fù)雜多樣的功能需求。

3.3 地源熱泵使用壽命更長(zhǎng)、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單

地源熱泵的地下?lián)Q熱系統(tǒng)一般采用PE管，研究表明這種管材老化失效速度很慢，壽命可以達(dá)到50年以上，比常見(jiàn)的風(fēng)冷室外機(jī)的壽命更長(zhǎng)。根據(jù)地源熱泵技術(shù)原理可知，無(wú)論是在制冷工況還是制熱工況下，地源溫度比大氣溫度更接近室內(nèi)目標(biāo)空調(diào)溫度，相變介質(zhì)（冷媒）完成氣液轉(zhuǎn)換所需的壓縮功較小，壓縮機(jī)的負(fù)載較小，因此以壓縮機(jī)為核心的機(jī)組在較低負(fù)載運(yùn)行中比常規(guī)系統(tǒng)的長(zhǎng)期高負(fù)載運(yùn)行壽命要更長(zhǎng)，根據(jù)空調(diào)行業(yè)的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，一般普通家用空調(diào)的壓縮機(jī)壽命8～12年、風(fēng)冷中央機(jī)的壓縮機(jī)壽命為12～15年、水冷中央機(jī)的壓縮機(jī)壽命為15～20年，地源熱泵的壓縮機(jī)運(yùn)行工況好于上述幾種，壓縮機(jī)壽命應(yīng)在20年以上。因此，綜合考慮地源熱泵系統(tǒng)比普通系統(tǒng)的使用壽命更長(zhǎng)。

因?yàn)閴嚎s機(jī)運(yùn)行負(fù)載較小，冷媒氟環(huán)路管壓較小，漏氟較慢；因?yàn)閾Q熱溫差較低，用于冷卻降溫的循環(huán)水泵工作負(fù)載較小，冷卻環(huán)路管壓較小，在以壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、冷卻環(huán)路為主組成的機(jī)組中，各部件運(yùn)行工況遠(yuǎn)低于常規(guī)系統(tǒng)的高負(fù)載狀態(tài)，避免了長(zhǎng)期疲勞運(yùn)行，因此系統(tǒng)故障率更低。同時(shí)，相比常規(guī)水冷中央空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)無(wú)論采用何種地源，其水環(huán)路都更接近于封閉狀態(tài)，更好地避免了水環(huán)路的污染。因此，地源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)降低或免除了加氟、除水垢、清洗水冷塔等工作的頻次，大大減低了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，使系統(tǒng)維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單。

3.4 地源熱泵具有顯著節(jié)能效果

通過(guò)對(duì)空調(diào)市場(chǎng)情況的調(diào)查，本文借鑒了代表類(lèi)型空調(diào)系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)和資料數(shù)據(jù)，參考了已有部分工程的建設(shè)情況，估算了地源熱泵、普通中央機(jī)、普通家用機(jī)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本一般代表水平，情況如表1所示。

表1 地源熱泵、普通中央機(jī)、普通家用機(jī)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本及使用壽命

從一般代表水平統(tǒng)計(jì)看，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效率比普通空調(diào)高，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能率超過(guò)20%，在長(zhǎng)期使用中，運(yùn)營(yíng)節(jié)能收益顯著。與普通中央機(jī)相比，地源熱泵空調(diào)初增投資通過(guò)節(jié)能在14年左右即可追回；與普通家用機(jī)相比，地源熱泵空調(diào)初增投資通過(guò)節(jié)能在9年左右即可追回。以地源熱泵的全壽命周期30年計(jì)算，地源熱泵空調(diào)節(jié)能折算為建設(shè)費(fèi)用相當(dāng)于節(jié)約了一套普通中央機(jī)或5.8套普通家用機(jī)系統(tǒng)，可見(jiàn)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果之顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵采用了對(duì)于機(jī)組系統(tǒng)更為有利的地源換熱環(huán)境，因此系統(tǒng)壽命比普通空調(diào)系統(tǒng)更長(zhǎng)，故障率隨之降低、維護(hù)工作量減少，更能適應(yīng)高速公路上對(duì)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)久耐用且易養(yǎng)護(hù)的要求；同時(shí)，地源熱泵在地域適應(yīng)性上、設(shè)備選型上以及服務(wù)水平上均能滿足高速公路中復(fù)雜的功能需求；而且，地源熱泵具有顯著的節(jié)能效果，具有良好的減排環(huán)保效益，更符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型公路交通的精神，因此，地源熱泵適應(yīng)于高速公路節(jié)能減排建設(shè)，值得進(jìn)一步研究推廣。

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