寒冷地區(qū)高速公路收費(fèi)站太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付文彪

（山西交科節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆轿?太原 030032）

0 引言

高速公路收費(fèi)站大多遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，具有占地面積大、樓層低、容積率小等特點(diǎn)[1]，采用土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)冬季供暖從淺層土壤提取的熱量遠(yuǎn)大于夏季供冷向淺層土壤排放提供的熱量。因此，系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行必然會(huì)導(dǎo)致地埋管換熱井布置區(qū)域淺層土壤溫度下降，影響供暖效果和設(shè)備運(yùn)行效率。太陽(yáng)能作為免費(fèi)的清潔能源，冬季可以作為輔助熱源與土壤源熱泵聯(lián)合供暖，其他季節(jié)向淺層土壤補(bǔ)充熱量，從而維持淺層土壤溫度的供求平衡，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

山西某高速公路收費(fèi)站位于晉中市左權(quán)縣境內(nèi)，平均海拔1 200 m 左右，屬溫帶大陸季節(jié)性氣候，常年日照2 570 h（平均值），四季平均氣溫7.4℃。收費(fèi)站占地8 246 m2，站內(nèi)建有綜合樓、餐廳、輔助用房等，總建筑面積2 143 m2，采用太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)冬季供暖夏季供冷。

2 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱、地埋管換熱器、土壤源熱泵等組成（詳見(jiàn)圖1），運(yùn)行原理如下。

圖1 太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

白天太陽(yáng)能集熱器中的傳熱介質(zhì)（軟化水）接收太陽(yáng)輻射能升溫，當(dāng)集熱器內(nèi)的水溫T1－蓄熱水箱內(nèi)的水溫T2 大于等于設(shè)定溫差上限（如10℃）時(shí)，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵啟動(dòng)，將集熱器內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移至蓄熱水箱，直到T1 －T2 小于等于設(shè)定溫差下限（如5℃），集熱循環(huán)泵停止工作。

2.2 土壤源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合供暖

a）當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)的水溫T2 大于等于設(shè)定溫度上限（如30℃）時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)C，同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)A 和B，土壤側(cè)循環(huán)水依次流經(jīng)地埋管換熱器和蓄熱水箱內(nèi)的換熱盤(pán)管，分別從淺層土壤和蓄熱水箱吸收熱量后進(jìn)入土壤源熱泵蒸發(fā)器，經(jīng)土壤源熱泵提升成高品位熱源為建筑供暖。

b）當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)的水溫T2 小于等于設(shè)定溫度下限（如20℃）時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)C，同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)A 和B，土壤側(cè)循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器從淺層土壤吸收熱量后進(jìn)入土壤源熱泵蒸發(fā)器，經(jīng)土壤源熱泵提升成高品位熱源為建筑供暖。

2.3 太陽(yáng)能補(bǔ)熱

供暖期外的其他時(shí)間，關(guān)閉閥門(mén)C，同時(shí)打開(kāi)閥門(mén) A 和 B。

a）供冷期 土壤源熱泵啟動(dòng)，土壤側(cè)循環(huán)水依次流經(jīng)土壤源熱泵和蓄熱水箱內(nèi)的換熱盤(pán)管，分別從土壤源熱泵冷凝器和蓄熱水箱吸收熱量后通過(guò)地埋管換熱器將熱量轉(zhuǎn)移至淺層土壤。

b）過(guò)渡期 土壤源熱泵關(guān)閉，當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)的水溫T2 大于等于設(shè)定溫度上限（如40℃）時(shí)，土壤側(cè)循環(huán)泵啟動(dòng)，循環(huán)水流經(jīng)蓄熱水箱內(nèi)的換熱盤(pán)管吸收熱量后，通過(guò)地埋管換熱器將熱量轉(zhuǎn)移至淺層土壤，直到蓄熱水箱內(nèi)的水溫T2 小于等于設(shè)定溫度下限（如30℃），土壤側(cè)循環(huán)泵停止運(yùn)行。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 冷/熱負(fù)荷設(shè)計(jì)

3.1.1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.3 冷/熱負(fù)荷

采用鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件4.0 計(jì)算，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷196.6 kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷158.2 kW。

3.2 地埋管換熱井設(shè)計(jì)[2]

3.2.1 熱物性參數(shù)

設(shè)計(jì)前，在收費(fèi)站地埋管換熱井布置區(qū)域鉆取一口120 m 深的試驗(yàn)井，分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)巖土熱物性試驗(yàn)獲取土壤熱物性參數(shù)。

3.2.1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

收費(fèi)站試驗(yàn)井內(nèi)地面以下20 m 內(nèi)為粉土和黏土；20～85 m 內(nèi)含有卵石、砂子和粉土，地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，有多處裂隙；85 m 以下為巖石。

3.2.1.2 土壤熱物性參數(shù)

a）土壤初始平均溫度 11.37℃；

b）土壤平均導(dǎo)熱系數(shù) 2.14 W/（m·℃）；

c）土壤平均熱擴(kuò)散系數(shù) 1.01×10-6m2/s；

d）制冷土壤延米平均換熱量 71.02 W/m；

e）制熱土壤延米平均換熱量 30.16 W/m。

3.2.2 地埋管換熱井

綜合考慮布置區(qū)域、建設(shè)成本、后期維護(hù)等因素，設(shè)計(jì)地埋管換熱井56 口，井深100 m，井間距5 m，井內(nèi)采用de32 高密度聚乙烯單U 型豎直埋管換熱器，水平管同程連接。為了防止回填材料沿裂隙滲漏，換熱井內(nèi)選用導(dǎo)熱系數(shù)高且容易凝固的30%混凝土+70%SiO2砂子混合物通過(guò)高壓注漿泵自下而上密實(shí)回填。

3.3 太陽(yáng)能設(shè)計(jì)

3.3.1 太陽(yáng)能輻射[3]

收費(fèi)站所在地單位面積太陽(yáng)能輻射量5.14 GJ/m2，其中供暖期（10 月—次年 3 月）1.85 GJ/m2，其他季節(jié)單位面積太陽(yáng)能輻射量3.29 GJ/m2（日均太陽(yáng)能輻射量見(jiàn)表3）。

表3 日均太陽(yáng)能輻射量統(tǒng)計(jì)表 MJ/m2

3.3.2 補(bǔ)熱量計(jì)算

3.3.2.1 冬季供暖土壤放熱量

式中：Qf為冬季供暖土壤放熱量，GJ；n 為供暖天數(shù)，取 182 d；Wr為供暖期內(nèi)平均熱負(fù)荷指標(biāo)，取36 W/m2；S 為供暖面積，2 143 m2；copr為供暖期土壤源熱泵機(jī)組平均效率，取4.2。

代入數(shù)據(jù)后，可得到冬季供暖淺層土壤放熱量為924.29 GJ。

3.3.2.2 夏季供冷土壤吸熱量

式中：Qx為夏季供冷土壤吸熱量，GJ；n 為供冷天數(shù)，取45 d；Wl為供冷期內(nèi)平均冷負(fù)荷指標(biāo)，取52 W/m2；S 為供冷面積，1 849 m2；copr為供冷期土壤源熱泵機(jī)組平均效率，取5.8。

代入數(shù)據(jù)后，可得到夏季供冷淺層土壤吸熱量Qx為 451.70 GJ。

3.3.2.3 太陽(yáng)能補(bǔ)熱量

顯然，全年太陽(yáng)能需向淺層土壤補(bǔ)充熱量472.59 GJ。

3.3.3 集熱器設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能集熱面積：

式中：Ac為太陽(yáng)能集熱器采光面積，m2；Qb為全年太陽(yáng)能向淺層土壤補(bǔ)熱量，472.59 GJ；J 為收費(fèi)站所在地單位面積太陽(yáng)能輻射量，5.14 GJ/m2；ηcd為集熱器的集熱效率，取0.65；ηL為管路及儲(chǔ)熱水箱熱損失率，取 0.15。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器采光面積166.41 m2，選用太陽(yáng)能熱利用效率較高的非承壓豎插式全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器28 臺(tái)，單臺(tái)集熱面積6.02 m2，含30 根全玻璃真空集熱管，玻璃管規(guī)格φ58×2 100 mm。集熱器布置在輔助用房和餐廳屋面，方向朝南，傾角36°，間距1.8 m。

3.4 機(jī)房主要設(shè)備

表4 機(jī)房主要設(shè)備配置表

根據(jù)冷/熱負(fù)荷、地埋管換熱井和太陽(yáng)能設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行選型，其設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表4。

4 土壤熱平衡分析

供暖期地源熱泵和太陽(yáng)能聯(lián)合供暖，淺層土壤提供熱量924.29 GJ；非供暖期太陽(yáng)能向淺層土壤補(bǔ)充熱量472.59 GJ，系統(tǒng)供冷向淺層土壤補(bǔ)充熱量451.70 GJ，總計(jì)924.29 GJ。一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，淺層土壤的放熱量與吸熱量相等，溫度維持平衡。目前，項(xiàng)目已運(yùn)行2 個(gè)運(yùn)行周期，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示淺層土壤溫度未發(fā)生變化，說(shuō)明相關(guān)設(shè)計(jì)及其參數(shù)選擇是合適的。

5 結(jié)論

a）寒冷地區(qū)采用太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)完全可以解決淺層土壤熱平衡問(wèn)題，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

b）供暖工況下，太陽(yáng)能與土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合使用可以有效提高土壤源熱泵供暖的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行費(fèi)用。

c）在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)需要計(jì)算太陽(yáng)能的補(bǔ)熱量，進(jìn)而合理設(shè)置太陽(yáng)能集熱器，既要滿(mǎn)足淺層土壤的補(bǔ)熱需求，又要避免因設(shè)置過(guò)多而增加不必要的建設(shè)費(fèi)用。