地源热泵技术在某高速公路中的应用及效益分析

蔡金霞,鲍卫国

1.沧州市工程咨询中心，河北 沧州 061000；2.沧州市高速公路建设管理局，河北 沧州 061000

1 技术原理及优势

1.1 技术原理

地源热泵系统的技术原理是利用浅层地热资源温度相对恒定的特性，通过地埋管内循环流体与浅层土层进行热量交换，解决采暖和制冷问题，从低位热源吸收热量并与高位热源发生热交换，解决采暖和制冷问题，属于可再生能源利用技术［1］。

平原区地下浅层土壤和地下水全年温度相对恒定，在夏季制冷时，通过地埋管将室内热量释放到周围地下土壤中，通过土壤的热交换达到降低建筑物内温度的效果。在冬季取暖时，通过地埋管获取地下土壤中的热量为室内供热，达到提高室内温度的效果［2］。

1.2 优势

地源热泵系统可以实现各房间温度独立控制，当房间内人员离开时可以随手关闭开关，停止该房间的取暖或制冷，达到降低耗电量、节约能源的作用［3］。

传统的锅炉散热器取暖，为了提高屋内温度需要多烧煤，浪费能源；而地源热泵系统只是利用循环加热室内空气，节约了大量的能源。

无“废水、废气、废渣、废热”等排放，属于可再生能源利用技术，具有运行费用低，降低能耗，不污染环境的特点。

2 项目应用

2.1 项目背景

某高速公路位于平原区，路线总体呈西北—东南走向，双向六车道，总长47.545km，全线信息中心及匝道收费站等总建筑总面积约22000m2。

线路所经地区为平原区冬冷夏热气候，各收费站区宿办楼需要采取冬季采暖、夏季制冷的模式，由于高速公路远离市区、城镇，传统的集中供热管道一般不能接入，参考同类高速公路建设与运营管理经验，选用地源热泵系统为沿线每个宿办楼解决制冷与取暖问题。

2.2 技术参数

螺杆式压缩机组选用能量分级调节运行方式。

夏季制冷冻水7/12℃，供末端风机盘管使用；冬季制热水45/40℃，供末端风机盘管使用。

热泵机组冷工况能耗＞4.6，能量输出具备10%～100%范围负荷无极调节功能。

控制系统应具备完善的故障自动保护与自动诊断功能，并能自动储存并显示故障及报警数据。

风机盘管都要在出厂前通过动平衡试验、盘管泄露检测、电机绝缘检测、启动试验、耐压试验［4］。

室外埋地管材为高密度聚乙烯HDPE100 管材，采用双U管竖直埋设，埋设深度100m。

2.3 地埋孔数量校核

施工单位进场后，业主和施工单位协商委托第三方检测单位对沿线各站点水文地质条件进行勘察和传热量测试，对地埋孔数量进行校核。按照规范要求，并结合实际经验，华北地区制冷量要远大于制热量，地埋孔换热量达到夏季要求即可满足系统需要，故对本项目只针对夏季指标进行校核。

地埋孔数量=（地源热泵机组制冷量+地源热泵机组电功率（制冷）+循环泵功率+补水泵功率）/单位孔深排热量/100m。原设计地埋孔数量452 孔，经校核并考虑安全系数后，确定地埋孔数量为 551 孔。

2.4 质量控制要点

U 型弯头采用成品U 弯头，不可现场加工成型。下管过程中，U 型管每2m 设一个支架，使U 型管两支管分开。U 型接头要做好防护措施。插入钻孔后与水平管连接时的双U 型管组对长度应＞0.5m。

灌浆应自下而上灌注封孔，保证连续性，确保钻孔灌浆密实，保证传热效果。待出浆浓度与灌浆一致时灌浆完成［5］。

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

3 效益分析

3.1 经济效益

本项目信息中心、服务区、收费站宿办楼等房建工程共22000m2的建筑，冷负荷1580kW，热负荷1240kW。

如果采用传统的夏季空调，冬季锅炉供热取暖方式：初始投资约0.207 万元/kW、运营成本约0.206 元/kW·h；经统计，本项目初始投资为316.8 万元，年运营费用为147.4 万元。

采用地源热泵系统制冷与供暖：初始投资0.212 万元/kW、运营成本0.134 元/kW·h。本项目初始投资为466.7 元，年运营费用为94.6 万元。

经过分析，采用地源热泵比常规取暖初始投资虽然增加149.9 万元，但是年运行费用节约53 万元，3 年即可收回其初始投资增加的费用，经济效益显著。

3.2 社会效益

采用地源热泵系统供热与制冷可有效降低煤炭资源的消耗，减少温室气体排放，也没有废弃物，在再生能源方面有着巨大的优势，对改善能源结构，建设资源节约型社会，实现可持续发展起着重要的作用。

4 结语

虽然对于地源热泵系统存在着初期投入较大、后期维护难度大等不足，但随着技术的不断提高以及国家政策的支持鼓励，在当前大气污染防治的大环境下，在华北平原地区推广和应用地源热泵空调系统，对于优化能源结构、改善和保证环京津地区的生态环境具有重要意义。