淺議地源熱泵在地鐵車站中的應(yīng)用及展望

姚迪 郭碩 張旭 施冠男 張凌宇 隋連生

摘 要 地源熱泵系統(tǒng)是目前廣泛使用的可再生能源系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)在地鐵車站中的應(yīng)用，能有效降低地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營能耗，對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能減排、節(jié)約運(yùn)營費(fèi)用具有重要的意義。本文介紹了地源熱泵的概念和特點(diǎn)，闡述了地源熱泵的工作原理及其在地鐵車站中運(yùn)用。

關(guān)鍵詞 地鐵車站;地源熱泵;節(jié)能環(huán)保

1地源熱泵的概念及特點(diǎn)

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。顧名思義，熱泵也就像泵一樣，可以把不能直接利用的低位熱能（如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、生活和生產(chǎn)廢熱等）轉(zhuǎn)化為可利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)省部分高位能（如煤、燃?xì)狻⒂?、電能等）的目的。根?jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的定義，地源熱泵系統(tǒng)是指以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位或高溫位的能量轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源。熱泵技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用可分為空氣源熱泵、水源熱泵以及地源熱泵三類，其中地源熱泵效率最高。由于熱泵是提取自然界中能量，節(jié)能、高效、零維護(hù)費(fèi)用、健康舒適、安全、性能可靠、壽命長、可一機(jī)多用、可再生、節(jié)約用水、控制方便、整體美觀、節(jié)省占地面積、沒有任何污染物排放，是當(dāng)今最清潔、經(jīng)濟(jì)的能源方式。在資源越來越匱乏的今天，作為人類利用低溫?zé)崮艿淖钕冗M(jìn)方式，熱泵技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注和重視[1]。

2地源熱泵工作原理

地源熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這就是地源熱泵節(jié)能的原理。地源熱泵系統(tǒng)是從常溫土壤或地表水（地下水），冬季從地下提取熱量，夏季把建筑的熱量又存入地下，從而解決冬夏兩季采暖和空調(diào)的冷熱源。夏季通過機(jī)組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)房間進(jìn)行降溫，同時(shí)儲(chǔ)存熱量，以備冬用。冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到房間，對(duì)房間進(jìn)行供暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個(gè)很好的免費(fèi)能量存貯源泉，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。

2.1 制冷模式

在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)同時(shí)再通過冷凝器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地水、地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過風(fēng)機(jī)盤管，以冷風(fēng)的形式為房間供冷。

2.2 制熱模式

在供暖狀態(tài)下，壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動(dòng)方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖[2]。

3地源熱泵在地鐵車站中應(yīng)用的重要意義

地源熱泵是一種利用地表淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤和地表水等攜帶的能量）的再生利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，清潔環(huán)保，無污染。地源熱泵系統(tǒng)利用清潔、無污染的地?zé)崮?，目前在大型公共建筑中受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其系統(tǒng)運(yùn)行效果、經(jīng)濟(jì)效益良好，能效比高。在地鐵運(yùn)營過程中，環(huán)境控制系統(tǒng)的用電量占了相當(dāng)大的比重，特別是帶有空調(diào)的環(huán)控系統(tǒng)，盡管其投資僅占車站總投資的8%～10%，但其用電量卻占到了整個(gè)地鐵耗電量的40%～50%。因此在環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等許多環(huán)節(jié)上進(jìn)一步優(yōu)化，找到可行的節(jié)能措施及可再生能源利用將對(duì)地鐵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。地鐵車站中使用地源熱泵系統(tǒng)，能在滿足車站環(huán)控系統(tǒng)使用要求的同時(shí)，節(jié)約系統(tǒng)能耗，同時(shí)帶來良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

4地源熱泵在地鐵車站中應(yīng)用展望

地源熱泵是利用地球表面淺層水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太陽能和地?zé)崮埽捎脽岜迷?，既可供熱又可制冷的高效?jié)能空調(diào)系統(tǒng)，是一種高效節(jié)能系統(tǒng)，完全符合我國能源和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的方向?！吨袊卦礋岜眯袠I(yè)發(fā)展可行性分析報(bào)告》顯示，我國地源熱泵行業(yè)近幾年來發(fā)展迅速，各地的地源熱泵項(xiàng)目不斷增加，這不僅得益于我國豐富的地?zé)豳Y源、相關(guān)技術(shù)的不斷完善，還得益于來自節(jié)能減排的壓力。我國地源熱泵經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)具有很大的市場(chǎng)，生產(chǎn)地源熱泵的廠家有一百多家，國外先進(jìn)地源熱泵技術(shù)也逐漸向國內(nèi)引進(jìn)，無論是在規(guī)模上還是在質(zhì)量上，都在逐漸接近世界先進(jìn)水平行列。同時(shí)，國內(nèi)已有多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)建立起土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要開展對(duì)地下?lián)Q熱器和地面熱泵設(shè)備長期聯(lián)合運(yùn)行的研究。我國地源熱泵技術(shù)的建筑應(yīng)用面積已超過1.4億平方米，全國地源熱泵系統(tǒng)年銷售額超過80億元，并以20%以上的速度增長，單體地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積高達(dá)80萬平方米。從地源熱泵主機(jī)市場(chǎng)來看，2010年，我國地源熱泵主機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為25億元，同比增長31%左右，增幅為近年來最大，到2011年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到31億元，同比增長23%左右，2012年市場(chǎng)規(guī)模增加至33億元左右。隨著我國地鐵建設(shè)規(guī)模不斷增大，地鐵運(yùn)營用電量的猛增，地源熱泵技術(shù)作為一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的冷熱源形式受到了政府和社會(huì)越來越廣泛的關(guān)注，也得到了國家和各級(jí)政府的大力推廣和扶持，地源熱泵技術(shù)將會(huì)在地鐵中應(yīng)用得越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉強(qiáng). 關(guān)于XX地鐵車站采用地源熱泵技術(shù)方案的研究[C].中國鐵道學(xué)會(huì)鐵路暖通空調(diào)專業(yè)2006年學(xué)術(shù)交流會(huì).中國鐵道學(xué)會(huì)鐵路暖通空調(diào)專業(yè)2006年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.成都：中國鐵道學(xué)會(huì)，2006：15-27.

[2] 陳友媛，韓亞軍，李文偉，等. 青島地鐵地源熱泵技術(shù)綜合應(yīng)用可行性分析[C].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì).中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.上海：中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2010：588.

作者簡介

姚迪（1985-），男，吉林省長春市人;專業(yè)：建筑環(huán)境與設(shè)備工程，工程師，現(xiàn)就職單位：長春市軌道交通集團(tuán)有限公司，研究方向：地鐵公司管線排遷。