淺議地源熱泵在地鐵車站中的應用及展望

姚迪 郭碩 張旭 施冠男 張凌宇 隋連生

摘 要 地源熱泵系統是目前廣泛使用的可再生能源系統，地源熱泵系統在地鐵車站中的應用，能有效降低地鐵車站空調系統運營能耗，對城市軌道交通系統節能減排、節約運營費用具有重要的意義。本文介紹了地源熱泵的概念和特點，闡述了地源熱泵的工作原理及其在地鐵車站中運用。

關鍵詞 地鐵車站;地源熱泵;節能環保

1地源熱泵的概念及特點

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、生活和生產廢熱等）轉化為可利用的高位熱能，從而達到節省部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。根據《地源熱泵系統工程技術規范》的定義，地源熱泵系統是指以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位或高溫位的能量轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源。熱泵技術在空調領域的應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，節能、高效、零維護費用、健康舒適、安全、性能可靠、壽命長、可一機多用、可再生、節約用水、控制方便、整體美觀、節省占地面積、沒有任何污染物排放，是當今最清潔、經濟的能源方式。在資源越來越匱乏的今天，作為人類利用低溫熱能的最先進方式，熱泵技術已經在全世界范圍內受到廣泛關注和重視[1]。

2地源熱泵工作原理

地源熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這就是地源熱泵節能的原理。地源熱泵系統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的冷熱源。夏季通過機組將房間內的熱量轉移到地下，對房間進行降溫，同時儲存熱量，以備冬用。冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉移到房間，對房間進行供暖，同時儲存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個很好的免費能量存貯源泉，這樣就實現了能量的季節轉換。

2.1 制冷模式

在制冷狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。通過蒸發器內冷媒的蒸發將由風機盤管循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環同時再通過冷凝器內冷媒的冷凝，由水路循環將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環轉移至地水、地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，通過風機盤管，以冷風的形式為房間供冷。

2.2 制熱模式

在供暖狀態下，壓縮機對冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過冷凝器內冷媒的蒸發，將水路循環中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過蒸發器內冷媒的冷凝，由風機盤管循環將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以熱風的形式向室內供暖[2]。

3地源熱泵在地鐵車站中應用的重要意義

地源熱泵是一種利用地表淺層地熱資源（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。該系統沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，清潔環保，無污染。地源熱泵系統利用清潔、無污染的地熱能，目前在大型公共建筑中受到了廣泛的關注和應用，其系統運行效果、經濟效益良好，能效比高。在地鐵運營過程中，環境控制系統的用電量占了相當大的比重，特別是帶有空調的環控系統，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地鐵耗電量的40%～50%。因此在環控系統的設計、運行等許多環節上進一步優化，找到可行的節能措施及可再生能源利用將對地鐵的經濟運行具有十分重要的意義。地鐵車站中使用地源熱泵系統，能在滿足車站環控系統使用要求的同時，節約系統能耗，同時帶來良好的經濟和環境效益。

4地源熱泵在地鐵車站中應用展望

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熱能，采用熱泵原理，既可供熱又可制冷的高效節能空調系統，是一種高效節能系統，完全符合我國能源和經濟可持續發展的方向。《中國地源熱泵行業發展可行性分析報告》顯示，我國地源熱泵行業近幾年來發展迅速，各地的地源熱泵項目不斷增加，這不僅得益于我國豐富的地熱資源、相關技術的不斷完善，還得益于來自節能減排的壓力。我國地源熱泵經過幾十年的發展已經具有很大的市場，生產地源熱泵的廠家有一百多家，國外先進地源熱泵技術也逐漸向國內引進，無論是在規模上還是在質量上，都在逐漸接近世界先進水平行列。同時，國內已有多家學術機構建立起土壤源熱泵實驗臺，主要開展對地下換熱器和地面熱泵設備長期聯合運行的研究。我國地源熱泵技術的建筑應用面積已超過1.4億平方米，全國地源熱泵系統年銷售額超過80億元，并以20%以上的速度增長，單體地源熱泵系統應用面積高達80萬平方米。從地源熱泵主機市場來看，2010年，我國地源熱泵主機市場規模約為25億元，同比增長31%左右，增幅為近年來最大，到2011年市場規模達到31億元，同比增長23%左右，2012年市場規模增加至33億元左右。隨著我國地鐵建設規模不斷增大，地鐵運營用電量的猛增，地源熱泵技術作為一種有益于環境保護和可持續發展的冷熱源形式受到了政府和社會越來越廣泛的關注，也得到了國家和各級政府的大力推廣和扶持，地源熱泵技術將會在地鐵中應用得越來越廣泛。

參考文獻

[1] 劉強. 關于XX地鐵車站采用地源熱泵技術方案的研究[C].中國鐵道學會鐵路暖通空調專業2006年學術交流會.中國鐵道學會鐵路暖通空調專業2006年學術交流會論文集.成都：中國鐵道學會，2006：15-27.

[2] 陳友媛，韓亞軍，李文偉，等. 青島地鐵地源熱泵技術綜合應用可行性分析[C].中國環境科學學會2010年學術年會.中國環境科學學會2010年學術年會論文集.上海：中國環境科學學會，2010：588.

作者簡介

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