高速公路沿线服务设施供暖热源分析

任文晋

山西省交通规划勘察设计院有限公司（030000）

高速公路沿线服务设施按照建筑功能特性可以分为交通安全设施、服务设施、管理设施。根据《高速公路交通工程及沿线服务设施设计通用规范》6.2.2规定:服务区的平均间距不宜大于50km，最大间距不宜大于60km。表6.2.3规定:服务区建筑面积为5500～6500m2/处。

表6 30年设备总投资费用估算对比表

高速公路每隔一定的距离，会选定适当的位置设置服务区，为用路者提供服务，满足其解除疲劳、休息、吃饭、简单购物等需求。山西省属于寒冷及严寒地区，冬季合理的供暖会为用户提供更好的舒适度，经济的供暖会降低高速公路服务区的运行成本，节能绿色的供暖会节约能源和保护环境。为了贯彻落实《山西省大气污染防治2017年行动计划》有关要求，高速公路服务区应利用可再生能源替代散煤，推广热泵供热等先进供热技术。

1 工作原理

泵是一种能提高位能的机械设备，如水泵是提升水位或增加水压的。而热泵是一种能够从自然界的热源中获取低品位热能，经过少量电能做功，输出可被人们所用的高品位热的设备，被称“大自然能量的搬运工”。泵有空气源热泵、水源热泵、地源热泵三种，这三种泵均是利用逆卡诺循环原理实现制热，但三者提取冷热量的源头分别为空气、地下水（山西地表水缺乏）、土壤[1]。

1.1 空气源热泵

空气能(源)热泵是由电动机驱动的，利用空气源热泵蒸汽压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷（热）源制取冷（热）风或者冷（热）水的设备。其制冷剂不进入室内。图1是空气源热泵应用示意图以及实体图。

图1 空气源热泵应用示意图以及实体图

1.2 水源热泵

水源热泵是由电动机驱动的，利用少量的电能将地球浅层水源（地下水、河流、湖泊等）所吸收的太阳辐射能量取出来，应用到建筑物中，用来满足冬天制热、夏天制冷的需求。水源的温度一般较为稳定，但是水源的选取局限性很大。闭式系统成本较高，开式系统对水源的温度、水量和清洁度都有较高的要求。

1.3 地源热泵

地源热泵是利用地表面浅层地热资源（通常小于400m深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。不需要室外挂机，不对周围空气进行释放能量，不抽取地下水，不会破坏地下水资源的状态。但是为了保证土壤温度的均衡，必须保证从土壤中取出的热量要等于还回土壤中的热量。因此，做设计前需要提供热响应报告。

2 适用范围

空气源热泵以前大多数适用于只采暖或者生活热水项目，现在很多厂家已经生产了冷热两用型风冷机组。与传统供暖介质相同，其产生的热媒介质也是水。但是，空气源热泵在极端寒冷的天气情况下，效率会有所下降，通常可设置电辅热以保证冬季极寒条件下的供暖需求。室内末端可以是暖气片、地暖、风机盘管等多种形式[2]。

地源热泵适用于场地大、夏季制冷、冬季供暖、冷负荷与热负荷相差不大的地方，并且规范《地源热泵系统工程技术规程》GB50366—2009中3.1.1（强条）地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并对浅层地热能资源进行勘察，后期，随着使用年限增加，土壤热能的耗损、能效比会降低，室内末端可以用地暖或风机盘管形式。山西临汾、运城地区节能效益和经济效益较为显著，其他区域由于冬冷夏凉，冬季供暖时系统从土壤中吸收的热量远大于夏季供冷时向土壤排放的热量，从而导致运行效果不佳[3-4]。

水源热泵是从水中提取能量，因此，适用于水资源比较充足的地区。闭式水源热泵系统成本高，开式系统就需要水源的温度、水量、清洁度都有一定的级别，且量大。对于山西地区，地表水源先天不足，若使用地下水，必须考虑合理有效的回灌，考虑因素较多，如是否通过经济合理的打井找到合适的水源，当地的土质能否满足回灌的要求。

3 经济分析

下面以建筑面积2000m2管养用房供暖为例，通过初期设备投资、30年设备总投资、年运行费用三者综合评比，结合各种热源方式的优缺点，制订出本工程较为合理优化的方案（见表1-6）。

表1 基础数据（以最不利工况为参照）

参照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736—2012。

表2 主要设备费用分析表

表3 主要设备费用分析表

表4 主要设备费用分析表

表5 年运行费用分析表

4 结语

不同的环境下，需要的热源形式也不尽相同。综上所述，对于山西，除特殊极寒天气的地区，大部分地区的高速公路沿线服务设施建议冬季采暖用空气源热泵配合电辅热的方式，对空气源热泵进行大、小功率组合，互为备用，根据供暖需求组合开启。当温度降低，需热量较大时，全部开启或开。其中几台热泵。当温度较高，需热量较低时，开启功率较小的一台或几台热泵。在极寒情况或者空气源热泵需要进行维修保养时，利用电加热器临时供热。