嚴寒地區高速公路服務站區地源熱泵系統的運行模擬

李永勝

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

北方高速公路服務站區冬季多采用燃煤鍋爐供暖，其有害排放對周邊環境造成嚴重污染。地源熱泵以淺層土壤作為載體實現跨季節儲熱，冬季從土壤中提取熱量為建筑供暖，夏季向土壤中排放熱量為建筑供冷。在高速公路服務站區實施地源熱泵技術，可以充分利用服務站區占地面積大、容積率小的特點，在室外停車場、綠化帶布置地埋管換熱井，施工完畢后進行恢復，不影響地上功能的使用，一舉兩得[1]。嚴寒地區冬季采暖負荷大，夏季基本沒有供冷負荷，為了保證淺層土壤的熱平衡性，需要增設輔助加熱裝置，供暖期與地源熱泵聯合供熱，其他時間對土壤進行熱量補充，而以太陽能作為淺層土壤熱量的補充對地源熱泵系統的正常作業是必要的。

1 項目概況

山西某高速公路服務站區位于朔州市境內，平均海拔1 400 m左右，屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，氣候宜人，年平均氣溫5.5℃。根據山西省各市縣所屬氣候子區的劃分，項目所在地屬于嚴寒（C）區。

服務區占地面積 51 854 m2，總建筑面積5 323 m2，分A、B兩個區建設，其中A區建筑面積3 533 m2，B區建筑面積 1 790 m2。

2 工程設計

2011年7月29日，相關專業機構在A區規劃停車場處鉆取井深120 m的試驗孔進行熱物性試驗，測得土壤初始溫度10.2℃，平均導熱系數1.95 W/（m·℃），制熱工況延米換熱指標21 W/m。在試驗孔深度范圍內的地質狀況為：0～17 m粉土，17～23 m沙卵泥巖，23～120 m為硬質巖石。

項目計劃在服務區A區和B區各設置1套地源熱泵系統，獨立運行。以A區為例進行模擬，設計采暖負荷293.24 kW，采暖期160 d，夏季無供冷需求。

根據供暖需求、建筑分布和地質條件，設計地埋管換熱井104口，井深120 m，間距6 m，井內采用單U地埋管換熱器，回填材料采用30%混凝土+70%SiO2砂子混合物用灌漿機自下而上回填[2]，以太陽能作為輔熱熱源，末端采用地板采暖。

3 運行分析

系統全年運行期可分為供暖期和非供暖期，供暖期采用地源熱泵和太陽能聯合供熱，非供暖期采用太陽能向地下補熱，以保持土壤溫度場的平衡。

3.1 供暖期運行工況

供暖期從10月25日開始，直到次年4月4日結束。在供暖期內，太陽能集熱器不斷吸收太陽光照熱量，以循環加熱的方式不斷提升儲熱水箱中的水溫，當儲熱水箱內的水溫大于50℃（可根據實際情況進行調節）時，地埋管換熱器與太陽能熱水系統串聯運行，地埋管側的循環水依次流經地埋管換熱器、儲熱水箱，最后進入地源熱泵機組的蒸發器，此時閥門3關閉，閥門1和2開啟；當太陽能集熱水箱內的熱水溫度小于等于15℃時，地埋管換熱器單獨運行，地埋管側的循環水流經地埋管換熱器后進入地源熱泵機組的蒸發器，此時閥門3開啟，閥門1和2關閉。

表1 地源熱泵系統主要設備配置表

圖1 地源熱泵系統原理圖

3.1.1 供熱總量

式中：Q為一定時間內的供熱量，MJ；Qr為設計供熱負荷，kW；η為日均負荷系數；n為供熱時間，d。

根據計算，供暖期（160 d）內供熱量總計2.00×106MJ，按照地源熱泵系統在供熱狀況下的平均能效比3.4計算，太陽能和淺層土壤提供熱量總計：

3.1.2 太陽能供熱量[3]

式中：Qt為一定時間內太陽能的有效利用量，MJ；Wt為當地指定月太陽能單位面積日均輻射量，MJ/（m2·d）；S為太陽能集熱面積，m2；η為太陽能有效利用系數；n為光照時間，d。

表2 供暖期供熱量統計表

表3 供暖期太陽能利用情況統計表

供暖期內太陽能供熱量（Qtz）為0.41×106MJ。

3.1.3 淺層土壤供熱量

供暖期內淺層土壤供熱量：

3.2 非供暖期運行工況

非供暖期，地源熱泵機組和冷熱水循環泵處于關閉狀態。當太陽能儲熱水箱內的水溫大于50℃（可根據實際情況進行調節）時，水源水循環泵開啟，將儲熱水箱內的熱水輸入地埋管換熱器，與淺層土壤進行換熱后，再進入儲熱水箱，直至儲熱水箱內的水溫小于等于20℃，水源水循環泵關閉。

補熱量的計算與太陽能供熱量的計算一致。

表4 非供暖期太陽能補熱情況統計表

整個非供暖期，太陽能向淺層土壤補熱量為1.04×106MJ。

3.3 土壤熱平衡分析

在一個完整的運行周期內，供暖期從土壤提取1.00×106MJ的熱量為建筑供暖，非供暖期利用太陽能向淺層土壤補充熱量1.04×106MJ，使淺層土壤溫度場得以恢復，不會影響地源熱泵系統在下一個運行周期的正常運行。

4 結論

a）針對嚴寒地區冬季供熱量大、夏季供冷量基本為零的特點，單獨使用地源熱泵系統供暖會造成淺層土壤溫度場的下降，因此必須對淺層土壤進行補熱，太陽能作為一種清潔、廉價的能源，可以有效補充土壤損失的熱量。

b）太陽能與地源熱泵系統聯合使用，需要考慮兩個系統的匹配性，以保證太陽能的利用效率和淺層土壤溫度場的平衡為主要原則，合理設置太陽能熱水系統的規模。

c）與燃煤鍋爐相比，太陽能+地源熱泵供暖系統具有運行環保、節能、費用低等優點，但是系統初投資較大，僅從經濟效益方面考慮，回收期較長，建議在對環保要求高的服務站區使用。