严寒地区高速公路服务站区地源热泵系统的运行模拟

李永胜

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

北方高速公路服务站区冬季多采用燃煤锅炉供暖，其有害排放对周边环境造成严重污染。地源热泵以浅层土壤作为载体实现跨季节储热，冬季从土壤中提取热量为建筑供暖，夏季向土壤中排放热量为建筑供冷。在高速公路服务站区实施地源热泵技术，可以充分利用服务站区占地面积大、容积率小的特点，在室外停车场、绿化带布置地埋管换热井，施工完毕后进行恢复，不影响地上功能的使用，一举两得[1]。严寒地区冬季采暖负荷大，夏季基本没有供冷负荷，为了保证浅层土壤的热平衡性，需要增设辅助加热装置，供暖期与地源热泵联合供热，其他时间对土壤进行热量补充，而以太阳能作为浅层土壤热量的补充对地源热泵系统的正常作业是必要的。

1 项目概况

山西某高速公路服务站区位于朔州市境内，平均海拔1 400 m左右，属北温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，气候宜人，年平均气温5.5℃。根据山西省各市县所属气候子区的划分，项目所在地属于严寒（C）区。

服务区占地面积 51 854 m2，总建筑面积5 323 m2，分A、B两个区建设，其中A区建筑面积3 533 m2，B区建筑面积 1 790 m2。

2 工程设计

2011年7月29日，相关专业机构在A区规划停车场处钻取井深120 m的试验孔进行热物性试验，测得土壤初始温度10.2℃，平均导热系数1.95 W/（m·℃），制热工况延米换热指标21 W/m。在试验孔深度范围内的地质状况为：0～17 m粉土，17～23 m沙卵泥岩，23～120 m为硬质岩石。

项目计划在服务区A区和B区各设置1套地源热泵系统，独立运行。以A区为例进行模拟，设计采暖负荷293.24 kW，采暖期160 d，夏季无供冷需求。

根据供暖需求、建筑分布和地质条件，设计地埋管换热井104口，井深120 m，间距6 m，井内采用单U地埋管换热器，回填材料采用30%混凝土+70%SiO2砂子混合物用灌浆机自下而上回填[2]，以太阳能作为辅热热源，末端采用地板采暖。

3 运行分析

系统全年运行期可分为供暖期和非供暖期，供暖期采用地源热泵和太阳能联合供热，非供暖期采用太阳能向地下补热，以保持土壤温度场的平衡。

3.1 供暖期运行工况

供暖期从10月25日开始，直到次年4月4日结束。在供暖期内，太阳能集热器不断吸收太阳光照热量，以循环加热的方式不断提升储热水箱中的水温，当储热水箱内的水温大于50℃（可根据实际情况进行调节）时，地埋管换热器与太阳能热水系统串联运行，地埋管侧的循环水依次流经地埋管换热器、储热水箱，最后进入地源热泵机组的蒸发器，此时阀门3关闭，阀门1和2开启；当太阳能集热水箱内的热水温度小于等于15℃时，地埋管换热器单独运行，地埋管侧的循环水流经地埋管换热器后进入地源热泵机组的蒸发器，此时阀门3开启，阀门1和2关闭。

表1 地源热泵系统主要设备配置表

图1 地源热泵系统原理图

3.1.1 供热总量

式中：Q为一定时间内的供热量，MJ；Qr为设计供热负荷，kW；η为日均负荷系数；n为供热时间，d。

根据计算，供暖期（160 d）内供热量总计2.00×106MJ，按照地源热泵系统在供热状况下的平均能效比3.4计算，太阳能和浅层土壤提供热量总计：

3.1.2 太阳能供热量[3]

式中：Qt为一定时间内太阳能的有效利用量，MJ；Wt为当地指定月太阳能单位面积日均辐射量，MJ/（m2·d）；S为太阳能集热面积，m2；η为太阳能有效利用系数；n为光照时间，d。

表2 供暖期供热量统计表

表3 供暖期太阳能利用情况统计表

供暖期内太阳能供热量（Qtz）为0.41×106MJ。

3.1.3 浅层土壤供热量

供暖期内浅层土壤供热量：

3.2 非供暖期运行工况

非供暖期，地源热泵机组和冷热水循环泵处于关闭状态。当太阳能储热水箱内的水温大于50℃（可根据实际情况进行调节）时，水源水循环泵开启，将储热水箱内的热水输入地埋管换热器，与浅层土壤进行换热后，再进入储热水箱，直至储热水箱内的水温小于等于20℃，水源水循环泵关闭。

补热量的计算与太阳能供热量的计算一致。

表4 非供暖期太阳能补热情况统计表

整个非供暖期，太阳能向浅层土壤补热量为1.04×106MJ。

3.3 土壤热平衡分析

在一个完整的运行周期内，供暖期从土壤提取1.00×106MJ的热量为建筑供暖，非供暖期利用太阳能向浅层土壤补充热量1.04×106MJ，使浅层土壤温度场得以恢复，不会影响地源热泵系统在下一个运行周期的正常运行。

4 结论

a）针对严寒地区冬季供热量大、夏季供冷量基本为零的特点，单独使用地源热泵系统供暖会造成浅层土壤温度场的下降，因此必须对浅层土壤进行补热，太阳能作为一种清洁、廉价的能源，可以有效补充土壤损失的热量。

b）太阳能与地源热泵系统联合使用，需要考虑两个系统的匹配性，以保证太阳能的利用效率和浅层土壤温度场的平衡为主要原则，合理设置太阳能热水系统的规模。

c）与燃煤锅炉相比，太阳能+地源热泵供暖系统具有运行环保、节能、费用低等优点，但是系统初投资较大，仅从经济效益方面考虑，回收期较长，建议在对环保要求高的服务站区使用。