高速公路沿線服務設施供暖熱源分析

任文晉

山西省交通規劃勘察設計院有限公司（030000）

高速公路沿線服務設施按照建筑功能特性可以分為交通安全設施、服務設施、管理設施。根據《高速公路交通工程及沿線服務設施設計通用規范》6.2.2規定:服務區的平均間距不宜大于50km，最大間距不宜大于60km。表6.2.3規定:服務區建筑面積為5500～6500m2/處。

表6 30年設備總投資費用估算對比表

高速公路每隔一定的距離，會選定適當的位置設置服務區，為用路者提供服務，滿足其解除疲勞、休息、吃飯、簡單購物等需求。山西省屬于寒冷及嚴寒地區，冬季合理的供暖會為用戶提供更好的舒適度，經濟的供暖會降低高速公路服務區的運行成本，節能綠色的供暖會節約能源和保護環境。為了貫徹落實《山西省大氣污染防治2017年行動計劃》有關要求，高速公路服務區應利用可再生能源替代散煤，推廣熱泵供熱等先進供熱技術。

1 工作原理

泵是一種能提高位能的機械設備，如水泵是提升水位或增加水壓的。而熱泵是一種能夠從自然界的熱源中獲取低品位熱能，經過少量電能做功，輸出可被人們所用的高品位熱的設備，被稱“大自然能量的搬運工”。泵有空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵三種，這三種泵均是利用逆卡諾循環原理實現制熱，但三者提取冷熱量的源頭分別為空氣、地下水（山西地表水缺乏）、土壤[1]。

1.1 空氣源熱泵

空氣能(源)熱泵是由電動機驅動的，利用空氣源熱泵蒸汽壓縮制冷循環工作原理，以環境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風或者冷（熱）水的設備。其制冷劑不進入室內。圖1是空氣源熱泵應用示意圖以及實體圖。

圖1 空氣源熱泵應用示意圖以及實體圖

1.2 水源熱泵

水源熱泵是由電動機驅動的，利用少量的電能將地球淺層水源（地下水、河流、湖泊等）所吸收的太陽輻射能量取出來，應用到建筑物中，用來滿足冬天制熱、夏天制冷的需求。水源的溫度一般較為穩定，但是水源的選取局限性很大。閉式系統成本較高，開式系統對水源的溫度、水量和清潔度都有較高的要求。

1.3 地源熱泵

地源熱泵是利用地表面淺層地熱資源（通常小于400m深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。不需要室外掛機，不對周圍空氣進行釋放能量，不抽取地下水，不會破壞地下水資源的狀態。但是為了保證土壤溫度的均衡，必須保證從土壤中取出的熱量要等于還回土壤中的熱量。因此，做設計前需要提供熱響應報告。

2 適用范圍

空氣源熱泵以前大多數適用于只采暖或者生活熱水項目，現在很多廠家已經生產了冷熱兩用型風冷機組。與傳統供暖介質相同，其產生的熱媒介質也是水。但是，空氣源熱泵在極端寒冷的天氣情況下，效率會有所下降，通常可設置電輔熱以保證冬季極寒條件下的供暖需求。室內末端可以是暖氣片、地暖、風機盤管等多種形式[2]。

地源熱泵適用于場地大、夏季制冷、冬季供暖、冷負荷與熱負荷相差不大的地方，并且規范《地源熱泵系統工程技術規程》GB50366—2009中3.1.1（強條）地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并對淺層地熱能資源進行勘察，后期，隨著使用年限增加，土壤熱能的耗損、能效比會降低，室內末端可以用地暖或風機盤管形式。山西臨汾、運城地區節能效益和經濟效益較為顯著，其他區域由于冬冷夏涼，冬季供暖時系統從土壤中吸收的熱量遠大于夏季供冷時向土壤排放的熱量，從而導致運行效果不佳[3-4]。

水源熱泵是從水中提取能量，因此，適用于水資源比較充足的地區。閉式水源熱泵系統成本高，開式系統就需要水源的溫度、水量、清潔度都有一定的級別，且量大。對于山西地區，地表水源先天不足，若使用地下水，必須考慮合理有效的回灌，考慮因素較多，如是否通過經濟合理的打井找到合適的水源，當地的土質能否滿足回灌的要求。

3 經濟分析

下面以建筑面積2000m2管養用房供暖為例，通過初期設備投資、30年設備總投資、年運行費用三者綜合評比，結合各種熱源方式的優缺點，制訂出本工程較為合理優化的方案（見表1-6）。

表1 基礎數據（以最不利工況為參照）

參照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736—2012。

表2 主要設備費用分析表

表3 主要設備費用分析表

表4 主要設備費用分析表

表5 年運行費用分析表

4 結語

不同的環境下，需要的熱源形式也不盡相同。綜上所述，對于山西，除特殊極寒天氣的地區，大部分地區的高速公路沿線服務設施建議冬季采暖用空氣源熱泵配合電輔熱的方式，對空氣源熱泵進行大、小功率組合，互為備用，根據供暖需求組合開啟。當溫度降低，需熱量較大時，全部開啟或開。其中幾臺熱泵。當溫度較高，需熱量較低時，開啟功率較小的一臺或幾臺熱泵。在極寒情況或者空氣源熱泵需要進行維修保養時，利用電加熱器臨時供熱。