河津服務區地源熱泵利用技術改造項目運行效益分析

郝志強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

地源熱泵是一種以淺層土壤溫度常年恒定的特點為建筑供冷、供暖的可再生能源利用技術。由于項目實施需要的占地面積相對較大（主要涉及地埋管換熱井的布置），地源熱泵技術在建筑領域尤其是大型建筑中的推廣應用受到一定的局限[1]。

高速公路服務站區往往遠離城鎮，具有占地面積大、容積率小等特點，室外停車場、綠化帶可以滿足地埋管換熱井的布置需求，適合地源熱泵技術的工程實施。在北方高速公路服務站區使用該技術不僅可以滿足冬季供暖需求，還可以解決燃煤鍋爐供暖帶來的環境污染問題[2]。交通運輸環境保護“十二五”試點建設項目——山西高速河津服務區地源熱泵利用技術改造項目通過采用地源熱泵取代傳統的分體式空調和燃煤鍋爐為服務區夏季供冷、冬季供暖，從而實現服務區大氣污染物的零排放，節能減排效益顯著。

1 工程概況

項目所在地位于山西省河津市，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區，氣候基本特征是冬夏風向更替明顯，冬季干旱寒冷，夏季炎熱多雨，歷年平均氣溫12.2～13.6℃，平均降水量為542.8～590 mm，年太陽能輻射量在4 666 MJ／m2以上。根據山西省各市縣所屬氣候子區的劃分，項目所在地屬于寒冷（B）區。

河津服務區分為南、北兩個區建設，占地面積總計72畝。服務區內設有餐廳、超市、客房、加油站、汽修廠等服務設施，建筑面積5 999 m2，其中南區1 976 m2，北區 4 023 m2。

2 設計方案

本項設計一套地源熱泵系統為服務區南、北兩個區供冷供暖，設計總冷負荷775.5 kW，總熱負荷490 kW。根據土壤熱物性測試報告，項目所在地淺層土壤初始溫度16.8℃，平均導熱系數1.517 W/（m·℃）。本項目設置室外地埋管換熱井238口，井深100 m，間距5 m，換熱井回填料為10%的膨潤土+90%SiO2砂子混合物[3]，水平埋管均采用聚氨酯發泡保溫。機房設置制冷量803 kW/制熱量865 kW的螺桿式地源熱泵機組1臺，制冷工況下，蒸發器進出水溫度為12℃/7℃,冷凝器進出水溫度為20℃/25℃；制熱工況下，蒸發器進出水溫度為13℃/8℃,冷凝器進出水溫度為45℃/50℃。水源水循環泵選用1臺流量為100 m3/h和2臺流量為125 m3/h的水泵并聯運行,水泵揚程均為30 m。冷熱水循環泵的配置與水源水循環泵相同。

圖1 河津服務區地源熱泵系統原理圖

如圖1所示，夏季，地埋管換熱器從淺層土壤中換取冷量，經地源熱泵機組提升冷量品質后為室內供冷；冬季，地埋管換熱器從淺層土壤中換取熱量，經地源熱泵機組提升熱量品質后為室內供暖。另外，根據技術特點分別在冷熱水循環管路和水源水循環管路間增設閥門11和12。夏季低負荷供冷時通過閥門調節，實現水源水循環管路和冷凍水循環管路的連通，水源水循環液不經過熱泵機組和冷熱水循環泵直接進入冷熱水循環管路供冷，此舉在低負荷時可以有效降低系統用電量。

3 運行能耗分析

系統運行能耗Q可用下式計算：

式中：Q為系統運行能耗，kW·h；W為平均輸入功率，kW；t為平均運行時間，h。

地源熱泵系統的主要能耗設備有地源熱泵機組、循環水泵和末端風機盤管。其中地源熱泵機組可根據實際運行負荷自動調整輸入功率，閥門切換和水泵的開啟由手動調節實現，地源熱泵機組與水源水循環泵實行聯動控制，當地源熱泵出水溫度達到設定的要求時，水源水循環泵和地源熱泵機組自動關閉。機房主要設備配置見表1。

表1 機房主要耗電設備配置表

3.1 夏季運行能耗

河津服務區夏季供冷從6月15日開始到10月13日結束，共120 d，按每20 d為一個階段，運行初期和后期，采用水源水循環液直接供冷。具體運行狀況見表2。

表2 夏季空調運行情況

3.2 冬季運行能耗

河津服務區冬季供暖從11月15日開始到次年3月15日結束，共120 d，按每20 d為一個階段，各個階段均開啟地源熱泵機組和對應的循環水泵，具體運行狀況見表3。

表3 冬季供暖運行情況

4 運行效益分析

4.1 節能減排效益

改造前，服務區每年夏季空調用電7.83萬kW·h，冬季供暖用電4.40萬kW·h，消耗燃煤333.60 t，燃煤鍋爐每年向大氣排放SO25.33 t，煙塵16.68 t，爐渣96.08 t；改造后，服務區每年空調采暖總計用電25.59萬kW·h，且不再使用燃煤鍋爐，不再排放大氣污染物和爐渣。

4.2 經濟效益

地源熱泵技術改造前，河津服務區每年空調供暖用電費用總計12.23萬元，燃煤費用26.69萬元，管理費用3.0萬元（主要為冬季鍋爐維護，3人，2 500元/（人·月）），運行費用總計41.92萬元；改造后，地源熱泵系統實現自動控制，維護由服務區水電工作人員經過簡單培訓后兼任，用電費用即為運行費用，為25.59萬元,每年節約運行費用38.96%（電費以1.0元/kW·h計，燃煤以800元/t計）。

4.3 社會效益

目前，高速公路服務站區能源消耗量大、污染嚴重的問題日益凸顯，不少北方高速公路服務站區因環保不達標而被當地環保部門限期關閉燃煤鍋爐。以山西為例，“十二五”期間山西省高速公路總里程將達到6 300 km，屆時配套服務站區的建筑面積將達到84萬m2，按現有服務區的能耗狀況計算，每年消耗燃煤7萬t，向大氣排放鍋爐煙塵1 500 t，排放二氧化硫640 t，排放爐渣9 600 t。地源熱泵的使用將實現服務站區大氣污染物的零排放，同時可以大幅減少固體污染物的排放。

5 建議

a）地源熱泵技術實施前，需要對服務站區的空調采暖需求、地質狀況、土壤熱物性參數等進行綜合分析，考慮輔助冷熱源的必要性及地埋管側循環液是否需要采用防凍液，保證使用效果。

b）地源熱泵技術的核心在于室外地埋管部分，設計時一切以有利于地埋管換熱器傳熱、有利于土壤溫度場穩定、有利于減少連接管路的熱損為主要原則，對地下換熱井的回填材料和方式、水平管的保溫、排氣和回填等因素進行綜合考慮。

c）地源熱泵技術的節能、環保以及經濟效益的提升還有賴于系統運行管理的科學性，包括設備開啟、冷熱水供水溫度、末端風機盤管的控制溫度等。

d）地源熱泵與服務站區建筑的設計（窗墻比、保溫材料、進出通道等）結合使用，效果更佳。

6 結束語

目前，我國北方高速公路服務站區冬季大多采用燃煤鍋爐供暖，造成大量空氣污染物和固體垃圾的排放，不僅給周邊的生態環境帶來了破壞，還增加了服務站區的運營負擔。地源熱泵充分利用服務站區的建筑設計特點，以淺層土壤作為蓄熱載體夏季供冷冬季供暖，無污染，零排放，實現服務站區的環保運行，效益顯著，推廣應用前期廣闊。