地源热泵技术在高速公路节能减排建设中的应用适应性探析

柴 智，曹 江，陈 敏

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.中公高科养护科技股份有限公司，北京 100085；3.广东广乐高速公路有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

地源热泵是一项节能高效的绿色环保技术，在当前能源日益紧张的时期，地源热泵被广泛应用于住宅、公共场馆等建筑项目中，取得了显著的节能效益。在公路行业中，地源热泵的应用还尚未推广普及。公路项目具有区别于普通房建项目的特点，地源热泵能否适应于公路项目特别是高速公路节能减排建设并取得节能效益，需要认真论证其适用性问题。本文根据地源热泵技术原理，结合高速公路应用特点，从应用适应性角度对地源热泵在高速公路节能减排建设中的应用进行初步探讨。

1 地源热泵技术原理

热泵是利用液体蒸发吸热、气体冷凝放热的原理，通过输入能量做功，完成介质的“液相—气相—液相”循环，实现定向迁移热量。热泵由蒸发吸热、气液相转变、冷凝放热三个功能区组成，形成室内端热交换、主机做功介质相变循环、室外端热交换的三个环路。目前，热泵主要应用于空气温度调节，室外端在夏季冷凝放热、冬季蒸发吸热，提供常见的空调作用。因为热泵的搬运热量作用，热泵还被应用于提供热水。

地源热泵是众多热泵形式中的一种，与其他热泵空调的区别在于室外热交换端，常见热泵空调是与室外空气发生热交换，而地源热泵空调是与地源发生热交换，地源包括地表水、地下水或土壤三类，地源相对室外气温季节波动性小、夏低冬高。在相对低温中冷凝放热、相对高温中蒸发吸热，地源热泵由此减少了对介质相变循环做功所需的能量输入，体现出较其他常规空调节能的优势特点。

2 地源热泵类型特点

自1912年Zoelly提出概念，地源热泵发展至今已经历百年，根据地源不同发展形成了三类系统：地表水换热WSHP（Water－Source Heat Pumps），是与江河、湖塘、水库等地表水换热的系统，分为闭式和开式，对地表水与建筑物距离、水体规模和水质等都有一定要求；地下水换热GWHP（Ground Water－Source Heat Pumps），是抽取地下水换热的开式系统，分为有回灌和无回灌，受当地取用地下水的政策影响，对地质条件、地下水水量和水质等都有一定要求；土壤耦合换热GCHP（Ground－Coupled Heat Pumps），是与土壤换热的闭式系统，分为垂直埋管和水平埋管两种，对建筑物附近占地有一定要求。

对于WSHP，地表水距离远会增加管路投入和换热损耗，水深不够时水温易受气温影响，水体体积不够会出现积热升温，水质差易出现系统堵塞、结垢、腐蚀等病害，都会影响系统效果。对于GWHP，政策不准取用地下水时就无法实施，地下水抽取量不够时影响换热甚至无法运转，水质差易出现系统堵塞、结垢、腐蚀等病害，无回灌方式易造成地下水位下降、地表下陷，有回灌方式的回灌率易受地质水文条件影响、易带入杂质污染地下水。对于GCHP，埋地较浅的水平埋管方式受地质条件影响小但易受到地表温度影响，且占地面积大、上覆层荷载要求小，埋地深的垂直埋管方式不受地表温度影响、占地小，但建设成本高、实施难度受地质条件影响大。

地源热泵的工作原理决定了其功能是提供人居环境温度调节和热水供应，在高速公路上也是应用于服务区、收费站、管理养护中心等场站区的房建空调和热水需求。三种地源系统都具有各自特点，在选择地源系统类型时，需要依据现场条件综合考虑，选择最具可实施性、系统能效和投资最合理的系统形式。

3 地源热泵在高速公路中应用的适应性

高速公路具有路线长、场站区分散、人流量波动大、房建功能多样的特点，因此，高速公路项目中使用的空调系统除满足一般房建暖通需求外，更多考虑满足不同功能区适应性强、使用寿命长、维护简单的要求。

3.1 用地条件决定高速公路中应用地源热泵有更多选型自由

一般商业民用建筑、公共场馆的容积率都在1以上，而高速公路场站区的容积率大多小于0.5，因此单位空调负荷下可供埋设地下换热管路的用地面积更多。高速公路场站区多在野外，附近具有天然水体的可能性较城镇建筑更高，且附近居民聚居点少，取用地下水对周边的影响也比城镇建筑小很多，因此，高速公路上采用地源热泵不但可以考虑采用一般城市集中建筑中采用的地下水源或垂直埋管，还有更多机会考虑地表水源或占地面积更大的水平埋管，更具备系统自由选型的用地条件。

3.2 地源热泵适应性广，可满足高速公路应用中复杂的功能需求

我国地域广阔，南北气候差异显著，高速公路人居环境有北方的冬季极寒也有南方的夏季高温，场站区有办公、住宿、餐饮超市公共区、监控机房等多样的房建功能环境，气温高低、建筑环境不同对空调的使用需求不同，根据对全国范围的调查分析，发现地源热泵应用具有以下应用特点。

3.2.1 应用地域环境广

地源热泵南方、北方都有应用，住宅、办公、公共场所、商业用地都适用，既有在开敞大厅中使用的、也有在封闭居室中使用的，既有用于几十万平米住宅小区的、也有用于几十平米会议室的。

3.2.2 换热端、室内端、机组、系统形式多样

换热端系统既有某度假村采用的地表水换热，也有某机关大院的地下水换热，还有某高速尝试应用的土壤换热，说明换热端形式多样，可根据实际灵活选择；室内端既有某科研所采用的落地风柜，也有某酒店采用的固定吊顶风盘，还有某高校采用的辐射顶板，既有上下送风的对流方式、也有辐射方式，说明室内端形式多样，可结合房建人居需求灵活选择；机组既有螺杆机、涡旋机也有离心机，一般根据经验在大中型场合多用离心机或螺杆机、小型场合多用涡旋机，机房根据机组配备既有占地几百平米的地下室专用机房、也有2～3m2的简易棚屋、还有露天放置的设备柜，说明机组机房选型多样、厂家技术支持和选配经验丰富，可根据需要灵活选择。系统选择时既有某高速的单机机房、也有某高校的模块机组集中机房、还有某酒店的分布于各客房卫生间吊顶内的分体多联机系统，说明系统组合形式多样，可根据房建功能灵活配置设计。

3.2.3 服务水平与普通空调相同

空调系统既有制冷、供暖、供应生活热水，也有单独制冷。与普通中央空调附设锅炉的系统相比，冷暖皆供比单独制冷的系统整体运行节省高，说明地源热泵空调冷暖皆供时更具优势。本文研究调查某酒店项目时，现场正处于夏季制冷期，从室内控制器上看出表显最低温能达到18℃，温度高低可通过风量风速调控，同时监测室内音量为43dB，而正常交谈时的室内音量在50～60dB，使用3～5年以上的普通空调开启状态下室内音量在45～55dB，说明地源热泵空调制冷效果很好、且噪声影响更小，服务水平与普通空调无异。

因此，地源热泵技术完全满足高速公路房建复杂多样的功能需求。

3.3 地源热泵使用寿命更长、故障率低、维护简单

地源热泵的地下换热系统一般采用PE管，研究表明这种管材老化失效速度很慢，寿命可以达到50年以上，比常见的风冷室外机的寿命更长。根据地源热泵技术原理可知，无论是在制冷工况还是制热工况下，地源温度比大气温度更接近室内目标空调温度，相变介质（冷媒）完成气液转换所需的压缩功较小，压缩机的负载较小，因此以压缩机为核心的机组在较低负载运行中比常规系统的长期高负载运行寿命要更长，根据空调行业的长期经验，一般普通家用空调的压缩机寿命8～12年、风冷中央机的压缩机寿命为12～15年、水冷中央机的压缩机寿命为15～20年，地源热泵的压缩机运行工况好于上述几种，压缩机寿命应在20年以上。因此，综合考虑地源热泵系统比普通系统的使用寿命更长。

因为压缩机运行负载较小，冷媒氟环路管压较小，漏氟较慢；因为换热温差较低，用于冷却降温的循环水泵工作负载较小，冷却环路管压较小，在以压缩机、循环水泵、冷却环路为主组成的机组中，各部件运行工况远低于常规系统的高负载状态，避免了长期疲劳运行，因此系统故障率更低。同时，相比常规水冷中央空调，地源热泵系统无论采用何种地源，其水环路都更接近于封闭状态，更好地避免了水环路的污染。因此，地源热泵系统比常规系统降低或免除了加氟、除水垢、清洗水冷塔等工作的频次，大大减低了系统维护的工作量，使系统维护变得更加简单。

3.4 地源热泵具有显著节能效果

通过对空调市场情况的调查，本文借鉴了代表类型空调系统的使用经验和资料数据，参考了已有部分工程的建设情况，估算了地源热泵、普通中央机、普通家用机的建设运营成本一般代表水平，情况如表1所示。

表1 地源热泵、普通中央机、普通家用机的建设运营成本及使用寿命

从一般代表水平统计看，地源热泵空调系统效率比普通空调高，系统运行节能率超过20%，在长期使用中，运营节能收益显著。与普通中央机相比，地源热泵空调初增投资通过节能在14年左右即可追回；与普通家用机相比，地源热泵空调初增投资通过节能在9年左右即可追回。以地源热泵的全寿命周期30年计算，地源热泵空调节能折算为建设费用相当于节约了一套普通中央机或5.8套普通家用机系统，可见地源热泵系统节能效果之显著。

4 结语

地源热泵采用了对于机组系统更为有利的地源换热环境，因此系统寿命比普通空调系统更长，故障率随之降低、维护工作量减少，更能适应高速公路上对空调系统经久耐用且易养护的要求；同时，地源热泵在地域适应性上、设备选型上以及服务水平上均能满足高速公路中复杂的功能需求；而且，地源热泵具有显著的节能效果，具有良好的减排环保效益，更符合建设资源节约型、环境友好型公路交通的精神，因此，地源热泵适应于高速公路节能减排建设，值得进一步研究推广。

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