嚴寒地區(qū)高速公路服務(wù)站區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的運行模擬

李永勝

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

北方高速公路服務(wù)站區(qū)冬季多采用燃煤鍋爐供暖，其有害排放對周邊環(huán)境造成嚴重污染。地源熱泵以淺層土壤作為載體實現(xiàn)跨季節(jié)儲熱，冬季從土壤中提取熱量為建筑供暖，夏季向土壤中排放熱量為建筑供冷。在高速公路服務(wù)站區(qū)實施地源熱泵技術(shù)，可以充分利用服務(wù)站區(qū)占地面積大、容積率小的特點，在室外停車場、綠化帶布置地埋管換熱井，施工完畢后進行恢復(fù)，不影響地上功能的使用，一舉兩得[1]。嚴寒地區(qū)冬季采暖負荷大，夏季基本沒有供冷負荷，為了保證淺層土壤的熱平衡性，需要增設(shè)輔助加熱裝置，供暖期與地源熱泵聯(lián)合供熱，其他時間對土壤進行熱量補充，而以太陽能作為淺層土壤熱量的補充對地源熱泵系統(tǒng)的正常作業(yè)是必要的。

1 項目概況

山西某高速公路服務(wù)站區(qū)位于朔州市境內(nèi)，平均海拔1 400 m左右，屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，氣候宜人，年平均氣溫5.5℃。根據(jù)山西省各市縣所屬氣候子區(qū)的劃分，項目所在地屬于嚴寒（C）區(qū)。

服務(wù)區(qū)占地面積 51 854 m2，總建筑面積5 323 m2，分A、B兩個區(qū)建設(shè)，其中A區(qū)建筑面積3 533 m2，B區(qū)建筑面積 1 790 m2。

2 工程設(shè)計

2011年7月29日，相關(guān)專業(yè)機構(gòu)在A區(qū)規(guī)劃停車場處鉆取井深120 m的試驗孔進行熱物性試驗，測得土壤初始溫度10.2℃，平均導熱系數(shù)1.95 W/（m·℃），制熱工況延米換熱指標21 W/m。在試驗孔深度范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況為：0～17 m粉土，17～23 m沙卵泥巖，23～120 m為硬質(zhì)巖石。

項目計劃在服務(wù)區(qū)A區(qū)和B區(qū)各設(shè)置1套地源熱泵系統(tǒng)，獨立運行。以A區(qū)為例進行模擬，設(shè)計采暖負荷293.24 kW，采暖期160 d，夏季無供冷需求。

根據(jù)供暖需求、建筑分布和地質(zhì)條件，設(shè)計地埋管換熱井104口，井深120 m，間距6 m，井內(nèi)采用單U地埋管換熱器，回填材料采用30%混凝土+70%SiO2砂子混合物用灌漿機自下而上回填[2]，以太陽能作為輔熱熱源，末端采用地板采暖。

3 運行分析

系統(tǒng)全年運行期可分為供暖期和非供暖期，供暖期采用地源熱泵和太陽能聯(lián)合供熱，非供暖期采用太陽能向地下補熱，以保持土壤溫度場的平衡。

3.1 供暖期運行工況

供暖期從10月25日開始，直到次年4月4日結(jié)束。在供暖期內(nèi)，太陽能集熱器不斷吸收太陽光照熱量，以循環(huán)加熱的方式不斷提升儲熱水箱中的水溫，當儲熱水箱內(nèi)的水溫大于50℃（可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)）時，地埋管換熱器與太陽能熱水系統(tǒng)串聯(lián)運行，地埋管側(cè)的循環(huán)水依次流經(jīng)地埋管換熱器、儲熱水箱，最后進入地源熱泵機組的蒸發(fā)器，此時閥門3關(guān)閉，閥門1和2開啟；當太陽能集熱水箱內(nèi)的熱水溫度小于等于15℃時，地埋管換熱器單獨運行，地埋管側(cè)的循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器后進入地源熱泵機組的蒸發(fā)器，此時閥門3開啟，閥門1和2關(guān)閉。

表1 地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備配置表

圖1 地源熱泵系統(tǒng)原理圖

3.1.1 供熱總量

式中：Q為一定時間內(nèi)的供熱量，MJ；Qr為設(shè)計供熱負荷，kW；η為日均負荷系數(shù)；n為供熱時間，d。

根據(jù)計算，供暖期（160 d）內(nèi)供熱量總計2.00×106MJ，按照地源熱泵系統(tǒng)在供熱狀況下的平均能效比3.4計算，太陽能和淺層土壤提供熱量總計：

3.1.2 太陽能供熱量[3]

式中：Qt為一定時間內(nèi)太陽能的有效利用量，MJ；Wt為當?shù)刂付ㄔ绿柲軉挝幻娣e日均輻射量，MJ/（m2·d）；S為太陽能集熱面積，m2；η為太陽能有效利用系數(shù)；n為光照時間，d。

表2 供暖期供熱量統(tǒng)計表

表3 供暖期太陽能利用情況統(tǒng)計表

供暖期內(nèi)太陽能供熱量（Qtz）為0.41×106MJ。

3.1.3 淺層土壤供熱量

供暖期內(nèi)淺層土壤供熱量：

3.2 非供暖期運行工況

非供暖期，地源熱泵機組和冷熱水循環(huán)泵處于關(guān)閉狀態(tài)。當太陽能儲熱水箱內(nèi)的水溫大于50℃（可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)）時，水源水循環(huán)泵開啟，將儲熱水箱內(nèi)的熱水輸入地埋管換熱器，與淺層土壤進行換熱后，再進入儲熱水箱，直至儲熱水箱內(nèi)的水溫小于等于20℃，水源水循環(huán)泵關(guān)閉。

補熱量的計算與太陽能供熱量的計算一致。

表4 非供暖期太陽能補熱情況統(tǒng)計表

整個非供暖期，太陽能向淺層土壤補熱量為1.04×106MJ。

3.3 土壤熱平衡分析

在一個完整的運行周期內(nèi)，供暖期從土壤提取1.00×106MJ的熱量為建筑供暖，非供暖期利用太陽能向淺層土壤補充熱量1.04×106MJ，使淺層土壤溫度場得以恢復(fù)，不會影響地源熱泵系統(tǒng)在下一個運行周期的正常運行。

4 結(jié)論

a）針對嚴寒地區(qū)冬季供熱量大、夏季供冷量基本為零的特點，單獨使用地源熱泵系統(tǒng)供暖會造成淺層土壤溫度場的下降，因此必須對淺層土壤進行補熱，太陽能作為一種清潔、廉價的能源，可以有效補充土壤損失的熱量。

b）太陽能與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合使用，需要考慮兩個系統(tǒng)的匹配性，以保證太陽能的利用效率和淺層土壤溫度場的平衡為主要原則，合理設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)的規(guī)模。

c）與燃煤鍋爐相比，太陽能+地源熱泵供暖系統(tǒng)具有運行環(huán)保、節(jié)能、費用低等優(yōu)點，但是系統(tǒng)初投資較大，僅從經(jīng)濟效益方面考慮，回收期較長，建議在對環(huán)保要求高的服務(wù)站區(qū)使用。