地源熱能在高速公路上應(yīng)用技術(shù)研究

字平?鄭其華

摘要：近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通事業(yè)也迅速發(fā)展壯大。由于高速公路里程數(shù)不斷增加，高速公路沿線配套的服務(wù)區(qū)、管理處、收費(fèi)站等房建設(shè)施數(shù)量也不斷增加。目前，我國(guó)高速公路附屬房建設(shè)施冬季采暖絕大部分采用小型燃煤鍋爐，燃料基本為劣質(zhì)煙煤或型煤。小型燃煤鍋爐效率低下，燃料浪費(fèi)嚴(yán)重；大氣污染物排放難以達(dá)標(biāo)；廢水、廢渣等二次污染嚴(yán)重；工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣。如果地?zé)崮茉礋岜眉夹g(shù)能夠在高速公路建設(shè)中成功地推廣應(yīng)用，將能很好地解決高速公路節(jié)能減排建設(shè)的用能中環(huán)保、節(jié)能及安全等問題。本文主要探索了地源熱能在高速公路上應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地源熱能；高速公路；應(yīng)用技術(shù)

一、地源熱泵技術(shù)特點(diǎn)

（一）經(jīng)濟(jì)節(jié)能。地源熱泵作為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)，主要利用的是儲(chǔ)存在地下淺層的可再生地?zé)豳Y源。一般情況下，地表淺層地?zé)豳Y源以及地能的溫度較為穩(wěn)定，可以作為優(yōu)良的空調(diào)冷源與熱泵熱源，和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵的運(yùn)行效率高了40%，這就決定了其節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用也達(dá)到了40%。

（二）低碳環(huán)保。地源熱泵系統(tǒng)使用的是電力，同時(shí)不需使用冷卻塔，不需要外掛機(jī)，不向大氣環(huán)境直接排熱，也不需要燃燒，對(duì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的是無(wú)污染排放；另一方面，不抽取地下水，對(duì)地下水資源不造成破壞，其不發(fā)生熱島效應(yīng)，不出現(xiàn)噪音。

（三）運(yùn)行穩(wěn)定。電腦控制整個(gè)系統(tǒng)，能夠電話遙控，不受室外氣候條件的影響，同時(shí)能夠進(jìn)行溫濕度控制以及新風(fēng)配送，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

（四）使用壽命長(zhǎng)。地源熱泵它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件較少，很耐用，所有的部件不是安裝在室內(nèi)就是埋在地下，防止了室外惡劣氣候?qū)ζ涫褂脡勖闹萍s，一般使用壽命可以超過20年。

二、地源熱泵的分類

（一）地下水源熱泵。地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源主要是通過廢棄的礦井或者水井中對(duì)地下水進(jìn)行抽取。一般其系統(tǒng)的形式利用的是一側(cè)與地下水相連，一側(cè)與熱泵機(jī)組相連。初期地下水系統(tǒng)主要利用的是單井系統(tǒng)，也就是把地下水在板式換熱器換熱的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直接排放。其最大的缺陷就是將地下水資源大力的浪費(fèi)，極易導(dǎo)致地層塌陷，從而有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。接著隨著技術(shù)的發(fā)展，雙井系統(tǒng)孕育而生，包括了井回灌、井抽水。其中地下水熱泵應(yīng)用較多的為在50m之內(nèi)的淺井，其特點(diǎn)就是水井與水井之間較緊湊、占地面積較小比土壤源熱泵造價(jià)低。其不足就是難以充足的供應(yīng)地下水，在水處理這一環(huán)節(jié)上要求嚴(yán)格，同時(shí)抽取的地下水需要全部回灌切不可受到污染。

（二）土壤源熱泵。土壤源熱泵展開閉路循環(huán)的熱泵系統(tǒng)，主要利用的是地下巖土層中熱量進(jìn)行。熱泵的換熱器一般是埋在地下，能和大地展開冷熱交換。主要是在循環(huán)液的基礎(chǔ)上，于密閉地下的埋管中進(jìn)行流動(dòng)，達(dá)到系統(tǒng)、大地兩者的傳熱。在夏季制冷的情況下，系統(tǒng)進(jìn)行逆向運(yùn)行，也就是通過室內(nèi)將熱量帶走，接著由系統(tǒng)把熱量送至地下巖土層內(nèi)。在冬季需要供熱的情況下，流體通過地下將熱量收集，接著由系統(tǒng)將熱量帶至室內(nèi)。一般情況下，地下熱交換器的布置形式主要包括了三類，即水平埋管、垂直埋管、蛇行埋管。水平埋管換熱器造價(jià)不高，分為多管、單管這兩種形式，埋設(shè)深度在1.5～3.0m之間。垂直埋管換熱器利用的一般是U型方式，依據(jù)實(shí)際的埋管深度能夠分為淺層、中層、深層，同時(shí)該系統(tǒng)所需要的管材少、占地面積小、泵耗能較低，而單位管長(zhǎng)換熱量一般比水平埋管高，然而其造價(jià)也較高。戰(zhàn)隊(duì)蛇行埋管換熱器而言，其較為適用于場(chǎng)地有限的情況下。其挖掘量只為單管水平埋管換熱器的 20%左右，然而其用管量需要較多。

（三）地表水源熱泵。地表水源熱泵本身就具備維修方便、造價(jià)低廉、 泵耗能低的優(yōu)點(diǎn)。湖泊、池塘、河溪中的地表水被作為地表水源熱泵系統(tǒng)的熱源。地表水源熱泵一般可以分為開路系統(tǒng)與閉路系統(tǒng)這兩者。不適用于開路系統(tǒng)以及寒冷地區(qū)中，通常只能采用閉路系統(tǒng)。然而在一定程度上地表水源熱泵系統(tǒng)受到自然條件的制約。一般在公用的河流中、管道中的其他設(shè)備極易受到破壞。若是湖泊、河流水過淺，水的溫度就會(huì)極易受到氣候的變化而發(fā)生變化，直接制約著其效率，降低其供熱或者制冷能力[1]。

三、地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（一）需要在嚴(yán)格依據(jù)本地具體情況的基礎(chǔ)上，合理的應(yīng)用于地埋管以及換熱結(jié)構(gòu)的施工中，一般涉及的施工工藝有參數(shù)設(shè)計(jì)、鉆井、回填以及對(duì)結(jié)構(gòu)的選擇等。比如需要按照系統(tǒng)的介質(zhì)流量以及流速地埋管的管徑展開相應(yīng)的選擇。b）地埋管直接與土壤進(jìn)行接觸并完成最初的熱交換，因此地埋管的埋入深度和管與管之間的距離十分重要。兩者均直接涉及獲取熱量的效率和工程成本，因此必須進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)優(yōu)化。

（二）在完成對(duì)地埋管埋入之后，需要應(yīng)用適當(dāng)?shù)幕靥畈牧蠈?duì)鉆孔壁、埋管中的間隙進(jìn)行填充，這就需要應(yīng)用良好的導(dǎo)熱系數(shù)。

（三）一個(gè)地源熱泵取暖系統(tǒng)一般需要較長(zhǎng)的地埋管路，但是其銜接無(wú)法進(jìn)行單一管徑以及串聯(lián)連接。這就需要對(duì)管路中的水力以及流速的平衡進(jìn)行處理，按照從粗到細(xì)的順序?qū)M(jìn)水端直到出水端的管徑進(jìn)行布置。

四、地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

（一）環(huán)境效益大。針對(duì)傳統(tǒng)的供暖、空調(diào)方式而言，主要是夏季制冷、冬季供暖。其系統(tǒng)占地多、投資大，直接影響著環(huán)境。因?yàn)槠湎募纠玫目照{(diào)系統(tǒng)主要是對(duì)CO2的排放，而CO2是重要的溫室氣體被作為引發(fā)全球性氣候變化的關(guān)鍵因素。同時(shí)在大氣中排放了大量廢熱，極易引發(fā)熱島效應(yīng)，同時(shí)也伴隨著令人煩躁的噪音，促使外界空間環(huán)境條件的進(jìn)一步惡化。而去冬季利用的燃料是燃油、煤炭、天然氣，在燃燒時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量污染物，出現(xiàn)大量的NO2、SO2、CO2等氣體，引發(fā)大氣污染，嚴(yán)重制約著了人們的生活質(zhì)量。針對(duì)地源熱泵而言，其主要是利用大地的蓄熱能力，冬季利用的是夏季多余的熱能，夏季利用的是冬季多余的冷能，從根本上解決了空調(diào)系統(tǒng)引發(fā)的城市熱島效應(yīng)。另一方面，其污染物排放不高，其制冷劑利用的是完全密封的，在實(shí)際使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)泄漏，降低了對(duì)臭氧層的破壞力度。最大程度上實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的目的[2]。

（二）運(yùn)用自然資源達(dá)到高效節(jié)能。太陽(yáng)能作為一種綠色能源，是取之不盡的，地表淺層被作為一個(gè)龐大的太陽(yáng)能集熱器，可以收集47%的太陽(yáng)能，能夠達(dá)到人類每年利用能量的500倍之多。在夏季地源熱泵的冷源主要是地表淺層恒定的地能溫度，只需要小功率的壓縮機(jī)就能達(dá)到能量轉(zhuǎn)換；在冬季地源熱泵的熱源其實(shí)就是利用該類儲(chǔ)存在地表淺層的無(wú)限的能源。一般情況下，與風(fēng)冷熱泵相比，運(yùn)用地源熱泵技術(shù)能夠節(jié)能40%，比電采暖節(jié)能超過70%，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的高效節(jié)能。

五、地埋管地源熱泵技術(shù)的可行性

一般情況下，在地下200米內(nèi)范圍的地下巖土體中，其溫度具有穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。電能就是地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用少數(shù)的高質(zhì)量的能量，可以于冬季將土壤當(dāng)作熱源，在土壤中熱量從土壤中提取出來，升高室內(nèi)溫度，便于對(duì)建筑物的供暖。同時(shí)可以在夏季將土壤當(dāng)作冷源，在土壤中釋放熱量，減小室內(nèi)溫度，用于對(duì)建筑物的制冷。最大程度上應(yīng)用土壤內(nèi)的熱能在夏季對(duì)土壤內(nèi)的熱量減小釋放，在冬季提供所需的熱量，就是在這樣的循環(huán)之下，充分確保地下土壤溫度處于一個(gè)平衡的狀態(tài)。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前，人類的經(jīng)濟(jì)正在逐漸的發(fā)展，人們生活水平也隨之提高，住宅以及公共建筑的空調(diào)與供暖成為了社會(huì)的普遍需求。而傳統(tǒng)意義上的供熱燃煤鍋爐顯然難以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需要，需要進(jìn)一步提高供暖設(shè)備以及空調(diào)設(shè)備的能源利用率，逐漸淘汰燃煤鍋爐。在這樣的發(fā)展背景下，地源熱泵孕育而生，被作為一種在經(jīng)濟(jì)上與技術(shù)上均具有較大優(yōu)勢(shì)的空調(diào)與供熱的替代方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳愛華，袁帥.地源熱泵系統(tǒng)在高速公路房建工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用與創(chuàng)新[J].工程技術(shù)：全文版，2016（9）：00001-00001.

[2]王秀明.淺談地源熱泵系統(tǒng)在我省高速公路附屬房建設(shè)施中的應(yīng)用[J].北方交通， 2009（2）：117-119.