柴 智，曹 江，陳 敏

（1.交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司，北京 100085；3.廣東廣樂高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

地源熱泵是一項節(jié)能高效的綠色環(huán)保技術(shù)，在當(dāng)前能源日益緊張的時期，地源熱泵被廣泛應(yīng)用于住宅、公共場館等建筑項目中，取得了顯著的節(jié)能效益。在公路行業(yè)中，地源熱泵的應(yīng)用還尚未推廣普及。公路項目具有區(qū)別于普通房建項目的特點，地源熱泵能否適應(yīng)于公路項目特別是高速公路節(jié)能減排建設(shè)并取得節(jié)能效益，需要認(rèn)真論證其適用性問題。本文根據(jù)地源熱泵技術(shù)原理，結(jié)合高速公路應(yīng)用特點，從應(yīng)用適應(yīng)性角度對地源熱泵在高速公路節(jié)能減排建設(shè)中的應(yīng)用進行初步探討。

1 地源熱泵技術(shù)原理

熱泵是利用液體蒸發(fā)吸熱、氣體冷凝放熱的原理，通過輸入能量做功，完成介質(zhì)的“液相—氣相—液相”循環(huán)，實現(xiàn)定向遷移熱量。熱泵由蒸發(fā)吸熱、氣液相轉(zhuǎn)變、冷凝放熱三個功能區(qū)組成，形成室內(nèi)端熱交換、主機做功介質(zhì)相變循環(huán)、室外端熱交換的三個環(huán)路。目前，熱泵主要應(yīng)用于空氣溫度調(diào)節(jié)，室外端在夏季冷凝放熱、冬季蒸發(fā)吸熱，提供常見的空調(diào)作用。因為熱泵的搬運熱量作用，熱泵還被應(yīng)用于提供熱水。

地源熱泵是眾多熱泵形式中的一種，與其他熱泵空調(diào)的區(qū)別在于室外熱交換端，常見熱泵空調(diào)是與室外空氣發(fā)生熱交換，而地源熱泵空調(diào)是與地源發(fā)生熱交換，地源包括地表水、地下水或土壤三類，地源相對室外氣溫季節(jié)波動性小、夏低冬高。在相對低溫中冷凝放熱、相對高溫中蒸發(fā)吸熱，地源熱泵由此減少了對介質(zhì)相變循環(huán)做功所需的能量輸入，體現(xiàn)出較其他常規(guī)空調(diào)節(jié)能的優(yōu)勢特點。

2 地源熱泵類型特點

自1912年Zoelly提出概念，地源熱泵發(fā)展至今已經(jīng)歷百年，根據(jù)地源不同發(fā)展形成了三類系統(tǒng)：地表水換熱WSHP（Water－Source Heat Pumps），是與江河、湖塘、水庫等地表水換熱的系統(tǒng)，分為閉式和開式，對地表水與建筑物距離、水體規(guī)模和水質(zhì)等都有一定要求；地下水換熱GWHP（Ground Water－Source Heat Pumps），是抽取地下水換熱的開式系統(tǒng)，分為有回灌和無回灌，受當(dāng)?shù)厝∮玫叵滤恼哂绊?，對地質(zhì)條件、地下水水量和水質(zhì)等都有一定要求；土壤耦合換熱GCHP（Ground－Coupled Heat Pumps），是與土壤換熱的閉式系統(tǒng)，分為垂直埋管和水平埋管兩種，對建筑物附近占地有一定要求。

對于WSHP，地表水距離遠會增加管路投入和換熱損耗，水深不夠時水溫易受氣溫影響，水體體積不夠會出現(xiàn)積熱升溫，水質(zhì)差易出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢、腐蝕等病害，都會影響系統(tǒng)效果。對于GWHP，政策不準(zhǔn)取用地下水時就無法實施，地下水抽取量不夠時影響換熱甚至無法運轉(zhuǎn)，水質(zhì)差易出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢、腐蝕等病害，無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質(zhì)水文條件影響、易帶入雜質(zhì)污染地下水。對于GCHP，埋地較淺的水平埋管方式受地質(zhì)條件影響小但易受到地表溫度影響，且占地面積大、上覆層荷載要求小，埋地深的垂直埋管方式不受地表溫度影響、占地小，但建設(shè)成本高、實施難度受地質(zhì)條件影響大。

地源熱泵的工作原理決定了其功能是提供人居環(huán)境溫度調(diào)節(jié)和熱水供應(yīng)，在高速公路上也是應(yīng)用于服務(wù)區(qū)、收費站、管理養(yǎng)護中心等場站區(qū)的房建空調(diào)和熱水需求。三種地源系統(tǒng)都具有各自特點，在選擇地源系統(tǒng)類型時，需要依據(jù)現(xiàn)場條件綜合考慮，選擇最具可實施性、系統(tǒng)能效和投資最合理的系統(tǒng)形式。

3 地源熱泵在高速公路中應(yīng)用的適應(yīng)性

高速公路具有路線長、場站區(qū)分散、人流量波動大、房建功能多樣的特點，因此，高速公路項目中使用的空調(diào)系統(tǒng)除滿足一般房建暖通需求外，更多考慮滿足不同功能區(qū)適應(yīng)性強、使用壽命長、維護簡單的要求。

3.1 用地條件決定高速公路中應(yīng)用地源熱泵有更多選型自由

一般商業(yè)民用建筑、公共場館的容積率都在1以上，而高速公路場站區(qū)的容積率大多小于0.5，因此單位空調(diào)負荷下可供埋設(shè)地下?lián)Q熱管路的用地面積更多。高速公路場站區(qū)多在野外，附近具有天然水體的可能性較城鎮(zhèn)建筑更高，且附近居民聚居點少，取用地下水對周邊的影響也比城鎮(zhèn)建筑小很多，因此，高速公路上采用地源熱泵不但可以考慮采用一般城市集中建筑中采用的地下水源或垂直埋管，還有更多機會考慮地表水源或占地面積更大的水平埋管，更具備系統(tǒng)自由選型的用地條件。

3.2 地源熱泵適應(yīng)性廣，可滿足高速公路應(yīng)用中復(fù)雜的功能需求

我國地域廣闊，南北氣候差異顯著，高速公路人居環(huán)境有北方的冬季極寒也有南方的夏季高溫，場站區(qū)有辦公、住宿、餐飲超市公共區(qū)、監(jiān)控機房等多樣的房建功能環(huán)境，氣溫高低、建筑環(huán)境不同對空調(diào)的使用需求不同，根據(jù)對全國范圍的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)地源熱泵應(yīng)用具有以下應(yīng)用特點。

3.2.1 應(yīng)用地域環(huán)境廣

地源熱泵南方、北方都有應(yīng)用，住宅、辦公、公共場所、商業(yè)用地都適用，既有在開敞大廳中使用的、也有在封閉居室中使用的，既有用于幾十萬平米住宅小區(qū)的、也有用于幾十平米會議室的。

3.2.2 換熱端、室內(nèi)端、機組、系統(tǒng)形式多樣

換熱端系統(tǒng)既有某度假村采用的地表水換熱，也有某機關(guān)大院的地下水換熱，還有某高速嘗試應(yīng)用的土壤換熱，說明換熱端形式多樣，可根據(jù)實際靈活選擇；室內(nèi)端既有某科研所采用的落地風(fēng)柜，也有某酒店采用的固定吊頂風(fēng)盤，還有某高校采用的輻射頂板，既有上下送風(fēng)的對流方式、也有輻射方式，說明室內(nèi)端形式多樣，可結(jié)合房建人居需求靈活選擇；機組既有螺桿機、渦旋機也有離心機，一般根據(jù)經(jīng)驗在大中型場合多用離心機或螺桿機、小型場合多用渦旋機，機房根據(jù)機組配備既有占地幾百平米的地下室專用機房、也有2～3m2的簡易棚屋、還有露天放置的設(shè)備柜，說明機組機房選型多樣、廠家技術(shù)支持和選配經(jīng)驗豐富，可根據(jù)需要靈活選擇。系統(tǒng)選擇時既有某高速的單機機房、也有某高校的模塊機組集中機房、還有某酒店的分布于各客房衛(wèi)生間吊頂內(nèi)的分體多聯(lián)機系統(tǒng)，說明系統(tǒng)組合形式多樣，可根據(jù)房建功能靈活配置設(shè)計。

3.2.3 服務(wù)水平與普通空調(diào)相同

空調(diào)系統(tǒng)既有制冷、供暖、供應(yīng)生活熱水，也有單獨制冷。與普通中央空調(diào)附設(shè)鍋爐的系統(tǒng)相比，冷暖皆供比單獨制冷的系統(tǒng)整體運行節(jié)省高，說明地源熱泵空調(diào)冷暖皆供時更具優(yōu)勢。本文研究調(diào)查某酒店項目時，現(xiàn)場正處于夏季制冷期，從室內(nèi)控制器上看出表顯最低溫能達到18℃，溫度高低可通過風(fēng)量風(fēng)速調(diào)控，同時監(jiān)測室內(nèi)音量為43dB，而正常交談時的室內(nèi)音量在50～60dB，使用3～5年以上的普通空調(diào)開啟狀態(tài)下室內(nèi)音量在45～55dB，說明地源熱泵空調(diào)制冷效果很好、且噪聲影響更小，服務(wù)水平與普通空調(diào)無異。

因此，地源熱泵技術(shù)完全滿足高速公路房建復(fù)雜多樣的功能需求。

3.3 地源熱泵使用壽命更長、故障率低、維護簡單

地源熱泵的地下?lián)Q熱系統(tǒng)一般采用PE管，研究表明這種管材老化失效速度很慢，壽命可以達到50年以上，比常見的風(fēng)冷室外機的壽命更長。根據(jù)地源熱泵技術(shù)原理可知，無論是在制冷工況還是制熱工況下，地源溫度比大氣溫度更接近室內(nèi)目標(biāo)空調(diào)溫度，相變介質(zhì)（冷媒）完成氣液轉(zhuǎn)換所需的壓縮功較小，壓縮機的負載較小，因此以壓縮機為核心的機組在較低負載運行中比常規(guī)系統(tǒng)的長期高負載運行壽命要更長，根據(jù)空調(diào)行業(yè)的長期經(jīng)驗，一般普通家用空調(diào)的壓縮機壽命8～12年、風(fēng)冷中央機的壓縮機壽命為12～15年、水冷中央機的壓縮機壽命為15～20年，地源熱泵的壓縮機運行工況好于上述幾種，壓縮機壽命應(yīng)在20年以上。因此，綜合考慮地源熱泵系統(tǒng)比普通系統(tǒng)的使用壽命更長。

因為壓縮機運行負載較小，冷媒氟環(huán)路管壓較小，漏氟較慢；因為換熱溫差較低，用于冷卻降溫的循環(huán)水泵工作負載較小，冷卻環(huán)路管壓較小，在以壓縮機、循環(huán)水泵、冷卻環(huán)路為主組成的機組中，各部件運行工況遠低于常規(guī)系統(tǒng)的高負載狀態(tài)，避免了長期疲勞運行，因此系統(tǒng)故障率更低。同時，相比常規(guī)水冷中央空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)無論采用何種地源，其水環(huán)路都更接近于封閉狀態(tài)，更好地避免了水環(huán)路的污染。因此，地源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)降低或免除了加氟、除水垢、清洗水冷塔等工作的頻次，大大減低了系統(tǒng)維護的工作量，使系統(tǒng)維護變得更加簡單。

3.4 地源熱泵具有顯著節(jié)能效果

通過對空調(diào)市場情況的調(diào)查，本文借鑒了代表類型空調(diào)系統(tǒng)的使用經(jīng)驗和資料數(shù)據(jù)，參考了已有部分工程的建設(shè)情況，估算了地源熱泵、普通中央機、普通家用機的建設(shè)運營成本一般代表水平，情況如表1所示。

表1 地源熱泵、普通中央機、普通家用機的建設(shè)運營成本及使用壽命

從一般代表水平統(tǒng)計看，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效率比普通空調(diào)高，系統(tǒng)運行節(jié)能率超過20%，在長期使用中，運營節(jié)能收益顯著。與普通中央機相比，地源熱泵空調(diào)初增投資通過節(jié)能在14年左右即可追回；與普通家用機相比，地源熱泵空調(diào)初增投資通過節(jié)能在9年左右即可追回。以地源熱泵的全壽命周期30年計算，地源熱泵空調(diào)節(jié)能折算為建設(shè)費用相當(dāng)于節(jié)約了一套普通中央機或5.8套普通家用機系統(tǒng)，可見地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果之顯著。

4 結(jié)語

地源熱泵采用了對于機組系統(tǒng)更為有利的地源換熱環(huán)境，因此系統(tǒng)壽命比普通空調(diào)系統(tǒng)更長，故障率隨之降低、維護工作量減少，更能適應(yīng)高速公路上對空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)久耐用且易養(yǎng)護的要求；同時，地源熱泵在地域適應(yīng)性上、設(shè)備選型上以及服務(wù)水平上均能滿足高速公路中復(fù)雜的功能需求；而且，地源熱泵具有顯著的節(jié)能效果，具有良好的減排環(huán)保效益，更符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型公路交通的精神，因此，地源熱泵適應(yīng)于高速公路節(jié)能減排建設(shè)，值得進一步研究推廣。

[1]趙軍，戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]徐偉.可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]馬最良，楊自強，等.我國熱泵空調(diào)發(fā)展的回顧與展望[C].南寧：全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集，2000.

[4]張佩芳.地源熱泵在國外的發(fā)展概況及其在我國應(yīng)用前景初探[J].制冷與空調(diào)，2003，（3）：12－15.

[5]陳煥新，楊培志，徐云生.地源熱泵技術(shù)在我國的應(yīng)用前景[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2002，（4）：10－13.