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

李永勝

（山西省交通科學(xué)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(yán)重污染。地源熱泵以淺層土壤作為載體實(shí)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(shí)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(diǎn)，在室外停車場、綠化帶布置地埋管換熱井，施工完畢后進(jìn)行恢復(fù)，不影響地上功能的使用，一舉兩得[1]。嚴(yán)寒地區(qū)冬季采暖負(fù)荷大，夏季基本沒有供冷負(fù)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(shí)間對土壤進(jìn)行熱量補(bǔ)充，而以太陽能作為淺層土壤熱量的補(bǔ)充對地源熱泵系統(tǒng)的正常作業(yè)是必要的。

1 項(xiàng)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(fēng)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(xiàng)目所在地屬于嚴(yán)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(gè)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(jì)

2011年7月29日，相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)在A區(qū)規(guī)劃停車場處鉆取井深120 m的試驗(yàn)孔進(jìn)行熱物性試驗(yàn)，測得土壤初始溫度10.2℃，平均導(dǎo)熱系數(shù)1.95 W/（m·℃），制熱工況延米換熱指標(biāo)21 W/m。在試驗(yàn)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(xiàng)目計(jì)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(dú)立運(yùn)行。以A區(qū)為例進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)采暖負(fù)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(jì)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(jī)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(yùn)行分析

系統(tǒng)全年運(yùn)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(bǔ)熱，以保持土壤溫度場的平衡。

3.1 供暖期運(yùn)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(dāng)儲熱水箱內(nèi)的水溫大于50℃（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)）時(shí)，地埋管換熱器與太陽能熱水系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)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(jìn)入地源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，此時(shí)閥門3關(guān)閉，閥門1和2開啟；當(dāng)太陽能集熱水箱內(nèi)的熱水溫度小于等于15℃時(shí)，地埋管換熱器單獨(dú)運(yùn)行，地埋管側(cè)的循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器后進(jìn)入地源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，此時(shí)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(shí)間內(nèi)的供熱量，MJ；Qr為設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷，kW；η為日均負(fù)荷系數(shù)；n為供熱時(shí)間，d。

根據(jù)計(jì)算，供暖期（160 d）內(nèi)供熱量總計(jì)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(jì)算，太陽能和淺層土壤提供熱量總計(jì)：

3.1.2 太陽能供熱量[3]

式中：Qt為一定時(shí)間內(nèi)太陽能的有效利用量，MJ；Wt為當(dāng)?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(shí)間，d。

表2 供暖期供熱量統(tǒng)計(jì)表

表3 供暖期太陽能利用情況統(tǒng)計(jì)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(yùn)行工況

非供暖期，地源熱泵機(jī)組和冷熱水循環(huán)泵處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)太陽能儲熱水箱內(nèi)的水溫大于50℃（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)）時(shí)，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(jìn)行換熱后，再進(jìn)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(bǔ)熱量的計(jì)算與太陽能供熱量的計(jì)算一致。

表4 非供暖期太陽能補(bǔ)熱情況統(tǒng)計(jì)表

整個(gè)非供暖期，太陽能向淺層土壤補(bǔ)熱量為1.04×106MJ。

3.3 土壤熱平衡分析

在一個(gè)完整的運(yùn)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(bǔ)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(gè)運(yùn)行周期的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

a）針對嚴(yán)寒地區(qū)冬季供熱量大、夏季供冷量基本為零的特點(diǎn)，單獨(dú)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(jìn)行補(bǔ)熱，太陽能作為一種清潔、廉價(jià)的能源，可以有效補(bǔ)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(gè)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(yùn)行環(huán)保、節(jié)能、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)初投資較大，僅從經(jīng)濟(jì)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。