地源熱泵技術在某高速公路中的應用及效益分析

蔡金霞,鮑衛國

1.滄州市工程咨詢中心，河北 滄州 061000；2.滄州市高速公路建設管理局，河北 滄州 061000

1 技術原理及優勢

1.1 技術原理

地源熱泵系統的技術原理是利用淺層地熱資源溫度相對恒定的特性，通過地埋管內循環流體與淺層土層進行熱量交換，解決采暖和制冷問題，從低位熱源吸收熱量并與高位熱源發生熱交換，解決采暖和制冷問題，屬于可再生能源利用技術［1］。

平原區地下淺層土壤和地下水全年溫度相對恒定，在夏季制冷時，通過地埋管將室內熱量釋放到周圍地下土壤中，通過土壤的熱交換達到降低建筑物內溫度的效果。在冬季取暖時，通過地埋管獲取地下土壤中的熱量為室內供熱，達到提高室內溫度的效果［2］。

1.2 優勢

地源熱泵系統可以實現各房間溫度獨立控制，當房間內人員離開時可以隨手關閉開關，停止該房間的取暖或制冷，達到降低耗電量、節約能源的作用［3］。

傳統的鍋爐散熱器取暖，為了提高屋內溫度需要多燒煤，浪費能源；而地源熱泵系統只是利用循環加熱室內空氣，節約了大量的能源。

無“廢水、廢氣、廢渣、廢熱”等排放，屬于可再生能源利用技術，具有運行費用低，降低能耗，不污染環境的特點。

2 項目應用

2.1 項目背景

某高速公路位于平原區，路線總體呈西北—東南走向，雙向六車道，總長47.545km，全線信息中心及匝道收費站等總建筑總面積約22000m2。

線路所經地區為平原區冬冷夏熱氣候，各收費站區宿辦樓需要采取冬季采暖、夏季制冷的模式，由于高速公路遠離市區、城鎮，傳統的集中供熱管道一般不能接入，參考同類高速公路建設與運營管理經驗，選用地源熱泵系統為沿線每個宿辦樓解決制冷與取暖問題。

2.2 技術參數

螺桿式壓縮機組選用能量分級調節運行方式。

夏季制冷凍水7/12℃，供末端風機盤管使用；冬季制熱水45/40℃，供末端風機盤管使用。

熱泵機組冷工況能耗＞4.6，能量輸出具備10%～100%范圍負荷無極調節功能。

控制系統應具備完善的故障自動保護與自動診斷功能，并能自動儲存并顯示故障及報警數據。

風機盤管都要在出廠前通過動平衡試驗、盤管泄露檢測、電機絕緣檢測、啟動試驗、耐壓試驗［4］。

室外埋地管材為高密度聚乙烯HDPE100 管材，采用雙U管豎直埋設，埋設深度100m。

2.3 地埋孔數量校核

施工單位進場后，業主和施工單位協商委托第三方檢測單位對沿線各站點水文地質條件進行勘察和傳熱量測試，對地埋孔數量進行校核。按照規范要求，并結合實際經驗，華北地區制冷量要遠大于制熱量，地埋孔換熱量達到夏季要求即可滿足系統需要，故對本項目只針對夏季指標進行校核。

地埋孔數量=（地源熱泵機組制冷量+地源熱泵機組電功率（制冷）+循環泵功率+補水泵功率）/單位孔深排熱量/100m。原設計地埋孔數量452 孔，經校核并考慮安全系數后，確定地埋孔數量為 551 孔。

2.4 質量控制要點

U 型彎頭采用成品U 彎頭，不可現場加工成型。下管過程中，U 型管每2m 設一個支架，使U 型管兩支管分開。U 型接頭要做好防護措施。插入鉆孔后與水平管連接時的雙U 型管組對長度應＞0.5m。

灌漿應自下而上灌注封孔，保證連續性，確保鉆孔灌漿密實，保證傳熱效果。待出漿濃度與灌漿一致時灌漿完成［5］。

U 形管埋管完成后，自然地坪以下5m 范圍的井孔用粘土封堵，避免受到地表水等可能的污染［6］。

3 效益分析

3.1 經濟效益

本項目信息中心、服務區、收費站宿辦樓等房建工程共22000m2的建筑，冷負荷1580kW，熱負荷1240kW。

如果采用傳統的夏季空調，冬季鍋爐供熱取暖方式：初始投資約0.207 萬元/kW、運營成本約0.206 元/kW·h；經統計，本項目初始投資為316.8 萬元，年運營費用為147.4 萬元。

采用地源熱泵系統制冷與供暖：初始投資0.212 萬元/kW、運營成本0.134 元/kW·h。本項目初始投資為466.7 元，年運營費用為94.6 萬元。

經過分析，采用地源熱泵比常規取暖初始投資雖然增加149.9 萬元，但是年運行費用節約53 萬元，3 年即可收回其初始投資增加的費用，經濟效益顯著。

3.2 社會效益

采用地源熱泵系統供熱與制冷可有效降低煤炭資源的消耗，減少溫室氣體排放，也沒有廢棄物，在再生能源方面有著巨大的優勢，對改善能源結構，建設資源節約型社會，實現可持續發展起著重要的作用。

4 結語

雖然對于地源熱泵系統存在著初期投入較大、后期維護難度大等不足，但隨著技術的不斷提高以及國家政策的支持鼓勵，在當前大氣污染防治的大環境下，在華北平原地區推廣和應用地源熱泵空調系統，對于優化能源結構、改善和保證環京津地區的生態環境具有重要意義。