高速公路沿線服務(wù)設(shè)施供暖熱源分析

任文晉

山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司（030000）

高速公路沿線服務(wù)設(shè)施按照建筑功能特性可以分為交通安全設(shè)施、服務(wù)設(shè)施、管理設(shè)施。根據(jù)《高速公路交通工程及沿線服務(wù)設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》6.2.2規(guī)定:服務(wù)區(qū)的平均間距不宜大于50km，最大間距不宜大于60km。表6.2.3規(guī)定:服務(wù)區(qū)建筑面積為5500～6500m2/處。

表6 30年設(shè)備總投資費(fèi)用估算對(duì)比表

高速公路每隔一定的距離，會(huì)選定適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置服務(wù)區(qū)，為用路者提供服務(wù)，滿足其解除疲勞、休息、吃飯、簡(jiǎn)單購(gòu)物等需求。山西省屬于寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，冬季合理的供暖會(huì)為用戶提供更好的舒適度，經(jīng)濟(jì)的供暖會(huì)降低高速公路服務(wù)區(qū)的運(yùn)行成本，節(jié)能綠色的供暖會(huì)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。為了貫徹落實(shí)《山西省大氣污染防治2017年行動(dòng)計(jì)劃》有關(guān)要求，高速公路服務(wù)區(qū)應(yīng)利用可再生能源替代散煤，推廣熱泵供熱等先進(jìn)供熱技術(shù)。

1 工作原理

泵是一種能提高位能的機(jī)械設(shè)備，如水泵是提升水位或增加水壓的。而熱泵是一種能夠從自然界的熱源中獲取低品位熱能，經(jīng)過少量電能做功，輸出可被人們所用的高品位熱的設(shè)備，被稱“大自然能量的搬運(yùn)工”。泵有空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵三種，這三種泵均是利用逆卡諾循環(huán)原理實(shí)現(xiàn)制熱，但三者提取冷熱量的源頭分別為空氣、地下水（山西地表水缺乏）、土壤[1]。

1.1 空氣源熱泵

空氣能(源)熱泵是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，利用空氣源熱泵蒸汽壓縮制冷循環(huán)工作原理，以環(huán)境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風(fēng)或者冷（熱）水的設(shè)備。其制冷劑不進(jìn)入室內(nèi)。圖1是空氣源熱泵應(yīng)用示意圖以及實(shí)體圖。

圖1 空氣源熱泵應(yīng)用示意圖以及實(shí)體圖

1.2 水源熱泵

水源熱泵是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，利用少量的電能將地球淺層水源（地下水、河流、湖泊等）所吸收的太陽(yáng)輻射能量取出來(lái)，應(yīng)用到建筑物中，用來(lái)滿足冬天制熱、夏天制冷的需求。水源的溫度一般較為穩(wěn)定，但是水源的選取局限性很大。閉式系統(tǒng)成本較高，開式系統(tǒng)對(duì)水源的溫度、水量和清潔度都有較高的要求。

1.3 地源熱泵

地源熱泵是利用地表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400m深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。不需要室外掛機(jī)，不對(duì)周圍空氣進(jìn)行釋放能量，不抽取地下水，不會(huì)破壞地下水資源的狀態(tài)。但是為了保證土壤溫度的均衡，必須保證從土壤中取出的熱量要等于還回土壤中的熱量。因此，做設(shè)計(jì)前需要提供熱響應(yīng)報(bào)告。

2 適用范圍

空氣源熱泵以前大多數(shù)適用于只采暖或者生活熱水項(xiàng)目，現(xiàn)在很多廠家已經(jīng)生產(chǎn)了冷熱兩用型風(fēng)冷機(jī)組。與傳統(tǒng)供暖介質(zhì)相同，其產(chǎn)生的熱媒介質(zhì)也是水。但是，空氣源熱泵在極端寒冷的天氣情況下，效率會(huì)有所下降，通常可設(shè)置電輔熱以保證冬季極寒條件下的供暖需求。室內(nèi)末端可以是暖氣片、地暖、風(fēng)機(jī)盤管等多種形式[2]。

地源熱泵適用于場(chǎng)地大、夏季制冷、冬季供暖、冷負(fù)荷與熱負(fù)荷相差不大的地方，并且規(guī)范《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》GB50366—2009中3.1.1（強(qiáng)條）地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行工程場(chǎng)地狀況調(diào)查，并對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行勘察，后期，隨著使用年限增加，土壤熱能的耗損、能效比會(huì)降低，室內(nèi)末端可以用地暖或風(fēng)機(jī)盤管形式。山西臨汾、運(yùn)城地區(qū)節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益較為顯著，其他區(qū)域由于冬冷夏涼，冬季供暖時(shí)系統(tǒng)從土壤中吸收的熱量遠(yuǎn)大于夏季供冷時(shí)向土壤排放的熱量，從而導(dǎo)致運(yùn)行效果不佳[3-4]。

水源熱泵是從水中提取能量，因此，適用于水資源比較充足的地區(qū)。閉式水源熱泵系統(tǒng)成本高，開式系統(tǒng)就需要水源的溫度、水量、清潔度都有一定的級(jí)別，且量大。對(duì)于山西地區(qū)，地表水源先天不足，若使用地下水，必須考慮合理有效的回灌，考慮因素較多，如是否通過經(jīng)濟(jì)合理的打井找到合適的水源，當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)能否滿足回灌的要求。

3 經(jīng)濟(jì)分析

下面以建筑面積2000m2管養(yǎng)用房供暖為例，通過初期設(shè)備投資、30年設(shè)備總投資、年運(yùn)行費(fèi)用三者綜合評(píng)比，結(jié)合各種熱源方式的優(yōu)缺點(diǎn)，制訂出本工程較為合理優(yōu)化的方案（見表1-6）。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（以最不利工況為參照）

參照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736—2012。

表2 主要設(shè)備費(fèi)用分析表

表3 主要設(shè)備費(fèi)用分析表

表4 主要設(shè)備費(fèi)用分析表

表5 年運(yùn)行費(fèi)用分析表

4 結(jié)語(yǔ)

不同的環(huán)境下，需要的熱源形式也不盡相同。綜上所述，對(duì)于山西，除特殊極寒天氣的地區(qū)，大部分地區(qū)的高速公路沿線服務(wù)設(shè)施建議冬季采暖用空氣源熱泵配合電輔熱的方式，對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行大、小功率組合，互為備用，根據(jù)供暖需求組合開啟。當(dāng)溫度降低，需熱量較大時(shí)，全部開啟或開。其中幾臺(tái)熱泵。當(dāng)溫度較高，需熱量較低時(shí)，開啟功率較小的一臺(tái)或幾臺(tái)熱泵。在極寒情況或者空氣源熱泵需要進(jìn)行維修保養(yǎng)時(shí)，利用電加熱器臨時(shí)供熱。