地源熱泵技術在高速公路節能減排建設中的應用適應性探析

柴 智，曹 江，陳 敏

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.中公高科養護科技股份有限公司，北京 100085；3.廣東廣樂高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

地源熱泵是一項節能高效的綠色環保技術，在當前能源日益緊張的時期，地源熱泵被廣泛應用于住宅、公共場館等建筑項目中，取得了顯著的節能效益。在公路行業中，地源熱泵的應用還尚未推廣普及。公路項目具有區別于普通房建項目的特點，地源熱泵能否適應于公路項目特別是高速公路節能減排建設并取得節能效益，需要認真論證其適用性問題。本文根據地源熱泵技術原理，結合高速公路應用特點，從應用適應性角度對地源熱泵在高速公路節能減排建設中的應用進行初步探討。

1 地源熱泵技術原理

熱泵是利用液體蒸發吸熱、氣體冷凝放熱的原理，通過輸入能量做功，完成介質的“液相—氣相—液相”循環，實現定向遷移熱量。熱泵由蒸發吸熱、氣液相轉變、冷凝放熱三個功能區組成，形成室內端熱交換、主機做功介質相變循環、室外端熱交換的三個環路。目前，熱泵主要應用于空氣溫度調節，室外端在夏季冷凝放熱、冬季蒸發吸熱，提供常見的空調作用。因為熱泵的搬運熱量作用，熱泵還被應用于提供熱水。

地源熱泵是眾多熱泵形式中的一種，與其他熱泵空調的區別在于室外熱交換端，常見熱泵空調是與室外空氣發生熱交換，而地源熱泵空調是與地源發生熱交換，地源包括地表水、地下水或土壤三類，地源相對室外氣溫季節波動性小、夏低冬高。在相對低溫中冷凝放熱、相對高溫中蒸發吸熱，地源熱泵由此減少了對介質相變循環做功所需的能量輸入，體現出較其他常規空調節能的優勢特點。

2 地源熱泵類型特點

自1912年Zoelly提出概念，地源熱泵發展至今已經歷百年，根據地源不同發展形成了三類系統：地表水換熱WSHP（Water－Source Heat Pumps），是與江河、湖塘、水庫等地表水換熱的系統，分為閉式和開式，對地表水與建筑物距離、水體規模和水質等都有一定要求；地下水換熱GWHP（Ground Water－Source Heat Pumps），是抽取地下水換熱的開式系統，分為有回灌和無回灌，受當地取用地下水的政策影響，對地質條件、地下水水量和水質等都有一定要求；土壤耦合換熱GCHP（Ground－Coupled Heat Pumps），是與土壤換熱的閉式系統，分為垂直埋管和水平埋管兩種，對建筑物附近占地有一定要求。

對于WSHP，地表水距離遠會增加管路投入和換熱損耗，水深不夠時水溫易受氣溫影響，水體體積不夠會出現積熱升溫，水質差易出現系統堵塞、結垢、腐蝕等病害，都會影響系統效果。對于GWHP，政策不準取用地下水時就無法實施，地下水抽取量不夠時影響換熱甚至無法運轉，水質差易出現系統堵塞、結垢、腐蝕等病害，無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水文條件影響、易帶入雜質污染地下水。對于GCHP，埋地較淺的水平埋管方式受地質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，但建設成本高、實施難度受地質條件影響大。

地源熱泵的工作原理決定了其功能是提供人居環境溫度調節和熱水供應，在高速公路上也是應用于服務區、收費站、管理養護中心等場站區的房建空調和熱水需求。三種地源系統都具有各自特點，在選擇地源系統類型時，需要依據現場條件綜合考慮，選擇最具可實施性、系統能效和投資最合理的系統形式。

3 地源熱泵在高速公路中應用的適應性

高速公路具有路線長、場站區分散、人流量波動大、房建功能多樣的特點，因此，高速公路項目中使用的空調系統除滿足一般房建暖通需求外，更多考慮滿足不同功能區適應性強、使用壽命長、維護簡單的要求。

3.1 用地條件決定高速公路中應用地源熱泵有更多選型自由

一般商業民用建筑、公共場館的容積率都在1以上，而高速公路場站區的容積率大多小于0.5，因此單位空調負荷下可供埋設地下換熱管路的用地面積更多。高速公路場站區多在野外，附近具有天然水體的可能性較城鎮建筑更高，且附近居民聚居點少，取用地下水對周邊的影響也比城鎮建筑小很多，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，還有更多機會考慮地表水源或占地面積更大的水平埋管，更具備系統自由選型的用地條件。

3.2 地源熱泵適應性廣，可滿足高速公路應用中復雜的功能需求

我國地域廣闊，南北氣候差異顯著，高速公路人居環境有北方的冬季極寒也有南方的夏季高溫，場站區有辦公、住宿、餐飲超市公共區、監控機房等多樣的房建功能環境，氣溫高低、建筑環境不同對空調的使用需求不同，根據對全國范圍的調查分析，發現地源熱泵應用具有以下應用特點。

3.2.1 應用地域環境廣

地源熱泵南方、北方都有應用，住宅、辦公、公共場所、商業用地都適用，既有在開敞大廳中使用的、也有在封閉居室中使用的，既有用于幾十萬平米住宅小區的、也有用于幾十平米會議室的。

3.2.2 換熱端、室內端、機組、系統形式多樣

換熱端系統既有某度假村采用的地表水換熱，也有某機關大院的地下水換熱，還有某高速嘗試應用的土壤換熱，說明換熱端形式多樣，可根據實際靈活選擇；室內端既有某科研所采用的落地風柜，也有某酒店采用的固定吊頂風盤，還有某高校采用的輻射頂板，既有上下送風的對流方式、也有輻射方式，說明室內端形式多樣，可結合房建人居需求靈活選擇；機組既有螺桿機、渦旋機也有離心機，一般根據經驗在大中型場合多用離心機或螺桿機、小型場合多用渦旋機，機房根據機組配備既有占地幾百平米的地下室專用機房、也有2～3m2的簡易棚屋、還有露天放置的設備柜，說明機組機房選型多樣、廠家技術支持和選配經驗豐富，可根據需要靈活選擇。系統選擇時既有某高速的單機機房、也有某高校的模塊機組集中機房、還有某酒店的分布于各客房衛生間吊頂內的分體多聯機系統，說明系統組合形式多樣，可根據房建功能靈活配置設計。

3.2.3 服務水平與普通空調相同

空調系統既有制冷、供暖、供應生活熱水，也有單獨制冷。與普通中央空調附設鍋爐的系統相比，冷暖皆供比單獨制冷的系統整體運行節省高，說明地源熱泵空調冷暖皆供時更具優勢。本文研究調查某酒店項目時，現場正處于夏季制冷期，從室內控制器上看出表顯最低溫能達到18℃，溫度高低可通過風量風速調控，同時監測室內音量為43dB，而正常交談時的室內音量在50～60dB，使用3～5年以上的普通空調開啟狀態下室內音量在45～55dB，說明地源熱泵空調制冷效果很好、且噪聲影響更小，服務水平與普通空調無異。

因此，地源熱泵技術完全滿足高速公路房建復雜多樣的功能需求。

3.3 地源熱泵使用壽命更長、故障率低、維護簡單

地源熱泵的地下換熱系統一般采用PE管，研究表明這種管材老化失效速度很慢，壽命可以達到50年以上，比常見的風冷室外機的壽命更長。根據地源熱泵技術原理可知，無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目標空調溫度，相變介質（冷媒）完成氣液轉換所需的壓縮功較小，壓縮機的負載較小，因此以壓縮機為核心的機組在較低負載運行中比常規系統的長期高負載運行壽命要更長，根據空調行業的長期經驗，一般普通家用空調的壓縮機壽命8～12年、風冷中央機的壓縮機壽命為12～15年、水冷中央機的壓縮機壽命為15～20年，地源熱泵的壓縮機運行工況好于上述幾種，壓縮機壽命應在20年以上。因此，綜合考慮地源熱泵系統比普通系統的使用壽命更長。

因為壓縮機運行負載較小，冷媒氟環路管壓較小，漏氟較慢；因為換熱溫差較低，用于冷卻降溫的循環水泵工作負載較小，冷卻環路管壓較小，在以壓縮機、循環水泵、冷卻環路為主組成的機組中，各部件運行工況遠低于常規系統的高負載狀態，避免了長期疲勞運行，因此系統故障率更低。同時，相比常規水冷中央空調，地源熱泵系統無論采用何種地源，其水環路都更接近于封閉狀態，更好地避免了水環路的污染。因此，地源熱泵系統比常規系統降低或免除了加氟、除水垢、清洗水冷塔等工作的頻次，大大減低了系統維護的工作量，使系統維護變得更加簡單。

3.4 地源熱泵具有顯著節能效果

通過對空調市場情況的調查，本文借鑒了代表類型空調系統的使用經驗和資料數據，參考了已有部分工程的建設情況，估算了地源熱泵、普通中央機、普通家用機的建設運營成本一般代表水平，情況如表1所示。

表1 地源熱泵、普通中央機、普通家用機的建設運營成本及使用壽命

從一般代表水平統計看，地源熱泵空調系統效率比普通空調高，系統運行節能率超過20%，在長期使用中，運營節能收益顯著。與普通中央機相比，地源熱泵空調初增投資通過節能在14年左右即可追回；與普通家用機相比，地源熱泵空調初增投資通過節能在9年左右即可追回。以地源熱泵的全壽命周期30年計算，地源熱泵空調節能折算為建設費用相當于節約了一套普通中央機或5.8套普通家用機系統，可見地源熱泵系統節能效果之顯著。

4 結語

地源熱泵采用了對于機組系統更為有利的地源換熱環境，因此系統壽命比普通空調系統更長，故障率隨之降低、維護工作量減少，更能適應高速公路上對空調系統經久耐用且易養護的要求；同時，地源熱泵在地域適應性上、設備選型上以及服務水平上均能滿足高速公路中復雜的功能需求；而且，地源熱泵具有顯著的節能效果，具有良好的減排環保效益，更符合建設資源節約型、環境友好型公路交通的精神，因此，地源熱泵適應于高速公路節能減排建設，值得進一步研究推廣。

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