寒冷地區高速公路收費站太陽能土壤源熱泵空調采暖系統設計

付文彪

（山西交科節能環保科技有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

高速公路收費站大多遠離城鎮，具有占地面積大、樓層低、容積率小等特點[1]，采用土壤源熱泵空調采暖系統冬季供暖從淺層土壤提取的熱量遠大于夏季供冷向淺層土壤排放提供的熱量。因此，系統的長期運行必然會導致地埋管換熱井布置區域淺層土壤溫度下降，影響供暖效果和設備運行效率。太陽能作為免費的清潔能源，冬季可以作為輔助熱源與土壤源熱泵聯合供暖，其他季節向淺層土壤補充熱量，從而維持淺層土壤溫度的供求平衡，確保系統平穩運行。

1 項目概況

山西某高速公路收費站位于晉中市左權縣境內，平均海拔1 200 m 左右，屬溫帶大陸季節性氣候，常年日照2 570 h（平均值），四季平均氣溫7.4℃。收費站占地8 246 m2，站內建有綜合樓、餐廳、輔助用房等，總建筑面積2 143 m2，采用太陽能土壤源熱泵空調采暖系統冬季供暖夏季供冷。

2 系統原理

太陽能土壤源熱泵空調采暖系統主要由太陽能集熱器、蓄熱水箱、地埋管換熱器、土壤源熱泵等組成（詳見圖1），運行原理如下。

圖1 太陽能土壤源熱泵空調采暖系統

2.1 太陽能集熱系統

白天太陽能集熱器中的傳熱介質（軟化水）接收太陽輻射能升溫，當集熱器內的水溫T1－蓄熱水箱內的水溫T2 大于等于設定溫差上限（如10℃）時，太陽能集熱循環泵啟動，將集熱器內的熱量轉移至蓄熱水箱，直到T1 －T2 小于等于設定溫差下限（如5℃），集熱循環泵停止工作。

2.2 土壤源熱泵與太陽能聯合供暖

a）當蓄熱水箱內的水溫T2 大于等于設定溫度上限（如30℃）時，關閉閥門C，同時打開閥門A 和B，土壤側循環水依次流經地埋管換熱器和蓄熱水箱內的換熱盤管，分別從淺層土壤和蓄熱水箱吸收熱量后進入土壤源熱泵蒸發器，經土壤源熱泵提升成高品位熱源為建筑供暖。

b）當蓄熱水箱內的水溫T2 小于等于設定溫度下限（如20℃）時，打開閥門C，同時關閉閥門A 和B，土壤側循環水流經地埋管換熱器從淺層土壤吸收熱量后進入土壤源熱泵蒸發器，經土壤源熱泵提升成高品位熱源為建筑供暖。

2.3 太陽能補熱

供暖期外的其他時間，關閉閥門C，同時打開閥門 A 和 B。

a）供冷期 土壤源熱泵啟動，土壤側循環水依次流經土壤源熱泵和蓄熱水箱內的換熱盤管，分別從土壤源熱泵冷凝器和蓄熱水箱吸收熱量后通過地埋管換熱器將熱量轉移至淺層土壤。

b）過渡期 土壤源熱泵關閉，當蓄熱水箱內的水溫T2 大于等于設定溫度上限（如40℃）時，土壤側循環泵啟動，循環水流經蓄熱水箱內的換熱盤管吸收熱量后，通過地埋管換熱器將熱量轉移至淺層土壤，直到蓄熱水箱內的水溫T2 小于等于設定溫度下限（如30℃），土壤側循環泵停止運行。

3 工程設計

3.1 冷/熱負荷設計

3.1.1 室外設計參數

表1 室外設計參數

3.1.2 室內設計參數

表2 室內設計參數

3.1.3 冷/熱負荷

采用鴻業負荷計算軟件4.0 計算，設計冷負荷196.6 kW，設計熱負荷158.2 kW。

3.2 地埋管換熱井設計[2]

3.2.1 熱物性參數

設計前，在收費站地埋管換熱井布置區域鉆取一口120 m 深的試驗井，分析地質結構，通過巖土熱物性試驗獲取土壤熱物性參數。

3.2.1.1 地質結構

收費站試驗井內地面以下20 m 內為粉土和黏土；20～85 m 內含有卵石、砂子和粉土，地質結構松散，有多處裂隙；85 m 以下為巖石。

3.2.1.2 土壤熱物性參數

a）土壤初始平均溫度 11.37℃；

b）土壤平均導熱系數 2.14 W/（m·℃）；

c）土壤平均熱擴散系數 1.01×10-6m2/s；

d）制冷土壤延米平均換熱量 71.02 W/m；

e）制熱土壤延米平均換熱量 30.16 W/m。

3.2.2 地埋管換熱井

綜合考慮布置區域、建設成本、后期維護等因素，設計地埋管換熱井56 口，井深100 m，井間距5 m，井內采用de32 高密度聚乙烯單U 型豎直埋管換熱器，水平管同程連接。為了防止回填材料沿裂隙滲漏，換熱井內選用導熱系數高且容易凝固的30%混凝土+70%SiO2砂子混合物通過高壓注漿泵自下而上密實回填。

3.3 太陽能設計

3.3.1 太陽能輻射[3]

收費站所在地單位面積太陽能輻射量5.14 GJ/m2，其中供暖期（10 月—次年 3 月）1.85 GJ/m2，其他季節單位面積太陽能輻射量3.29 GJ/m2（日均太陽能輻射量見表3）。

表3 日均太陽能輻射量統計表 MJ/m2

3.3.2 補熱量計算

3.3.2.1 冬季供暖土壤放熱量

式中：Qf為冬季供暖土壤放熱量，GJ；n 為供暖天數，取 182 d；Wr為供暖期內平均熱負荷指標，取36 W/m2；S 為供暖面積，2 143 m2；copr為供暖期土壤源熱泵機組平均效率，取4.2。

代入數據后，可得到冬季供暖淺層土壤放熱量為924.29 GJ。

3.3.2.2 夏季供冷土壤吸熱量

式中：Qx為夏季供冷土壤吸熱量，GJ；n 為供冷天數，取45 d；Wl為供冷期內平均冷負荷指標，取52 W/m2；S 為供冷面積，1 849 m2；copr為供冷期土壤源熱泵機組平均效率，取5.8。

代入數據后，可得到夏季供冷淺層土壤吸熱量Qx為 451.70 GJ。

3.3.2.3 太陽能補熱量

顯然，全年太陽能需向淺層土壤補充熱量472.59 GJ。

3.3.3 集熱器設計

太陽能集熱面積：

式中：Ac為太陽能集熱器采光面積，m2；Qb為全年太陽能向淺層土壤補熱量，472.59 GJ；J 為收費站所在地單位面積太陽能輻射量，5.14 GJ/m2；ηcd為集熱器的集熱效率，取0.65；ηL為管路及儲熱水箱熱損失率，取 0.15。

根據計算結果，設計太陽能集熱器采光面積166.41 m2，選用太陽能熱利用效率較高的非承壓豎插式全玻璃真空管太陽能集熱器28 臺，單臺集熱面積6.02 m2，含30 根全玻璃真空集熱管，玻璃管規格φ58×2 100 mm。集熱器布置在輔助用房和餐廳屋面，方向朝南，傾角36°，間距1.8 m。

3.4 機房主要設備

表4 機房主要設備配置表

根據冷/熱負荷、地埋管換熱井和太陽能設計要求，對機房設備進行選型，其設備參數見表4。

4 土壤熱平衡分析

供暖期地源熱泵和太陽能聯合供暖，淺層土壤提供熱量924.29 GJ；非供暖期太陽能向淺層土壤補充熱量472.59 GJ，系統供冷向淺層土壤補充熱量451.70 GJ，總計924.29 GJ。一個運行周期內，淺層土壤的放熱量與吸熱量相等，溫度維持平衡。目前，項目已運行2 個運行周期，監測數據顯示淺層土壤溫度未發生變化，說明相關設計及其參數選擇是合適的。

5 結論

a）寒冷地區采用太陽能土壤源熱泵空調采暖系統完全可以解決淺層土壤熱平衡問題，保證系統平穩、高效運行。

b）供暖工況下，太陽能與土壤源熱泵系統聯合使用可以有效提高土壤源熱泵供暖的運行效率，降低運行費用。

c）在系統的設計和建設過程中，應根據需要計算太陽能的補熱量，進而合理設置太陽能集熱器，既要滿足淺層土壤的補熱需求，又要避免因設置過多而增加不必要的建設費用。