地源热泵技术在高速公路服务站区的应用.docx
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地源热泵技术在高速公路服务站区的应用
地源热泵技术在高速公路服务站区的应用
一、项目概况
1.项目背景
高速公路收费站、服务区一般远离市区、城镇，不便接入市政集中供热系统，须独立设置供热与制冷系统。
采用传统的燃煤、燃油锅炉及电力供热、制冷方式，能源消耗量大，环境污染严重，运行费用高。
经方案比选，河北大广高速衡大项目及山西太佳高速公路西线项目分别将地源热泵技术应用于部分服务站点的供热与制冷系统。
地源热泵空调系统是一项先进的空调技术，利用大地温度相对恒定的特性，解决了冬季采暖、夏季制冷问题，属可再生能源利用技术，与采用锅炉（煤、油、电）供暖+分体空调制冷方式相比较，系统简单，具有运行费用低，降低能耗，不污染环境的特点。
2.项目主要内容
项目主要内容包括前期调研勘探、系统设计、施工安装、运行调试、节能监测等过程。
前期调研、勘探，搜集当地的气候、地质等情况，测试土壤的热物性，为系统设计的合理性提供依据；地源热泵系统的设计须充分考虑场地、土壤的换热性、热泵机组的选型等因素；土壤换热器的施工属于隐蔽工程，施工完毕后难以进行修复，需经多次测试，严格控制施工质量；系统调试包括水系统调试、自动化控制调试、联动调试等；节能监测主要监测地源热泵系统运行的供热量、供冷量及耗电量。
3.项目实施情况
大广高速衡大项目应用于20个站点，总建筑面积约64341m2，地源热泵系统投资为1350万元。
增量投资回收期3年，节能约1069t标准煤，每季减少CO2排量量约2860t，节电×106kW·h。
地源热泵已在山西省太佳高速公路吕梁段临县收费站（建筑面积3493m2）、临黄收费站（建筑面积2545m2）、方山收费站（建筑面积3641m2）和梁家庄收费站（建筑面积2228m2）实施，服务面积总计11907m2。
其中，临县收费站和临黄收费站以地下土壤作为冷热源，方山收费站和梁家庄收费站以地下水作为冷热源，夏季利用地源热泵供冷，冬季供暖。
项目总投资为万元，增量投资回收期4年，每年节约标准煤298t，减少CO2732t，SO2排放量，NOx排放量，烟尘排放量。
二、项目评价
1.项目先进性和技术成熟度评价
地源热泵技术利用浅层地热资源作为冷热源，通过土壤换热器进行能量转换，替代了传统的煤、油、电等供热、制冷方式，其技术先进、成熟。
2.项目节能与环保潜力评价
地源热泵属节能环保技术，比传统空调系统节能40%左右。
无粉尘和有害气体的污染，可达到有害物质零排放。
3.项目经济效益评价
项目运行费用低，增量投资回收期短，经济效益明显。
4.项目的推广应用条件
①年平均气温5℃以上的地区；
②易于成孔的地质条件（岩性地质施工成本较高）；
③具备埋设地下换热器的场地。
5.项目推广价值评价
项目适合在具备条件的高速公路服务站点广泛应用。
三、存在问题
项目初期投资较高，对勘察、设计、施工技术要求比较高，
四、推广建议
①加大行业宣传推广力度，增加项目初期建设资金支持；
②加强项目运行管理，认真做好勘察、设计、施工等阶段工作；
③完善项目监测手段，不断积累经验，改善运行方案。
经验材料之一
地源热泵技术在大广高速公路深州至大名段等项目的应用
实施单位：
河北省高速公路衡大筹建处
一、项目概述
1、项目背景
大庆至广州高速公路深州至大名（冀豫界）段是国务院审批通过的国家高速公路“7918”网大庆至广州高速公路中的重要路段，是交通部第三批勘察设计典型示范工程，路线起自深州市榆科枢纽互通，止于大名县高庄（冀豫界），接河南省冀豫界至南乐高速公路，全长公里。
全线设置监控通信分中心1处、服务区7处、收费站12处，养护工区4处，总建筑总面积约64341m2。
道路所经地区属于冬冷夏热气候类型，房建设施需要冬季采暖、夏季制冷，且因收费站、服务区等设施远离市区、城镇，不方便接入传统的集中供热方式，因此每个站区必须单独解决采暖与制冷。
河北省高速公路衡大筹建处通过考察、学习并与专家充分沟通论证，决定选用地源热泵空调系统为沿线房建提供采暖与制冷。
2、主要内容
地源热泵空调系统是一项先进的空调技术，利用大地温度相对恒定的特性，解决采暖和制冷问题，属可再生能源利用技术，一套系统既解决了冬季采暖又解决了夏季制冷，与采用锅炉（煤、油、电）供暖+分体空调制冷方式相比较，系统简单且可减少后期管理维护费用，节约能耗，减少投资，减少对环境的污染；节能、环保效果显著，有效改善工作人员的生活工作条件。
3、实施情况
为确保这一新技术在房建设施成功应用，2009年6月我处邀请水文地质及暖通行业的专家历时2个月完成沿线各站点0～120m范围内地层勘察及综合传热系数测试，获得地层综合换热能力并探明地下0～120m范围内地层结构、地层温度、水位，地下水径流方向及速度，为后期设计提供准确的土壤源热泵室外地埋换热器设计参数，保证设计的准确性、合理性。
2009年8月，由甲级设计院开始沿线各站点地源热泵空调系统设计，年底组织行业专家进行评审，2010年6月完成施工招标并于7月开始施工，同年12月中下旬完成施工并开始供暖运行，全线效果良好，节能显著。
二、节能原理
由于地下一定深度的土壤和水体温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是一种十分理想的可用于中央空调的冷热源。
因此，通过消耗少量（20%～25%）高品位能量，将地下浅层大量不可直接使用的低品位可再生能源转换成可直接利用的高品位能源。
无“废水、废气、废渣、废热”等排放，属于经济效益、社会效益和生态效益显著的社会公益技术。
被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。
与传统的空调系统相比，地源热泵系统的能源利用效率要高出40%以上。
三、技术内容
1.主要技术内容
地球浅表土壤的温度一年四季相对稳定，冬季热泵机组循环的蒸发温度提高，能效比也提高；夏季通过降低机组冷凝温度，提高机组效率。
一般情况下，地源热泵的制冷、制热系数可达～。
热泵能量由两部分组成：
一部分由地下土壤体中汲取（排放），一般占总供热量的75%～80%；另一部分由机械功转变而来，一般占总供热量的20%～25%。
结合本项目沿线水文地质条件及地层综合换热能力，考虑施工成本与地埋换热器换热量的关系，决定采用单U型竖埋换热器，埋设深度120米。
沿线房建均采用地源热泵系统，为节能计全部选用能量分级调节运行方式的螺杆式地源热泵机组。
为考察地源热泵系统能耗，本项目热泵机房采用配备安装电度表的联动控制柜供电及控制，热泵机组及机房辅助设备用电总量均显示在电度表上；为进一步考察系统节能潜力，我处选择部分站点在空调水、地源水管道等处分别安装计量装置，完善项目监测手段，考察进出水流量、温差、温度，计量空调侧、地源侧动态能量状态，进一步发掘节能潜力。
2.实施方案
确定选用地源热泵系统解决沿线房建采暖与制冷后，筹建处组织专家进行了论证，选择专业队伍对沿线各站点水文地质条件进行勘察，探明地下换热器埋设深度范围内的水文地质资料，同时进行土壤热物性测试获取参数，为设计单位提供设计依据，并组织专家对勘察测试报告进行严格评审；设计结束后组织专家对设计图纸进行分析评审，提出修改意见；通过严格的招标程序选择施工队伍后，筹建处组织经验丰富、工作认真的现场管理人员严格管理施工，施工结束立即进行系统调试，观测地源热泵运行效果并监视运行一个供暖季。
3.技术创新点
为保证实现设计精准、投资节约、运行高效等目标，在设计前对全线各站点进行全面准确的地层热物性测试并获得如下资料：
①通过对裸井进行数字化水文探测，获得0～120m范围内的地层深度分布、地层结构成分、地层有关物性及现场水文y地质特征、岩土体温度、地下水静水位、水温、水质及分布、地下水径流方向、地下水类型、含水层岩性、分布、埋深及厚度、含水层的富水性和渗透性等相关参数，结合地区水文资料分析地下水动态变化。
②通过换热井模拟实际空调工况进行测试获得现场地层实际换热能力，得到现场0～120米范围内岩土体综合热物性，获取岩土体动态换热能力。
通过测试做到理论与实践的有机结合，充分体现出新技术的高效、节能、环保优势。
4.技术关键点
地层综合换热系数是地埋换热器设计中最重要的数据，也是基础数据。
地层综合换热系数的偏差必然导致工程的初投资偏差和系统运行参数的偏差。
由于工程路线长、站点多，设计施工技术关键点如下：
①地源水循环泵扬程、流量选择应保证地下换热管内保持一定紊流状态，确保实现最佳换热状态；
②对每个工作区系统效果、运行费用、系统初投资的最佳平衡点的选择分析；
③确保换热井周围回填材料正确回填，尽可能减少U型换热管间的热回流；
④对地下水环境保护的问题，杜绝地表水下渗污染地下水。
四、推广应用条件
地源热泵空调技术是一项通用的民用技术，热泵设备国内易采购，运行期间主要采用电能驱动，在配电时适当加大配电功率即可；施工设备简单；初期投资稍大，但运营费用低；当前，在国家节能减排政策指引下，新建及改造建筑已使用该技术。
地源热泵运行不受环境温度等气象条件限制，但在地温较低地区，由于冬夏吸排热平衡较差，采用该方式节能效果不是十分明显，最好用于全年平均气温高于5℃，水文地质条件适合地区（有浅层地下水径流且可钻进成孔）且具备埋设地下换热器场地的建筑项目等，尤其适合高速公路房建等公用建筑使用。
五、效益分析
1.节能效益
为避免能源浪费，筹建处出台节能操作规定：
在空调系统运行前，操作人员应根据环境温度及室内温度（规定：
夏季不低于26℃、冬季不高于20℃）需求，设置机组加卸载控制温度，确保机组大部分时段运行在75%负载以上，保证系统节能；在空调系统运行过程中经常观察对比用户端室内温度，结合环境温度调节加卸载控制温度，在保证供暖、制冷效果前提下实现节能；应经常提醒用户减少空调期间开窗通风时间、频率，利于系统节能。
全线站点冬季运行2个月（室温均处于18～21℃间）耗能情况见表1。
表1沿线各站点2010年12月24日至2011年3月1日电耗统计表
序号
站点名称
建筑面积
（m2）
综合换热系数
（w/m2·℃）
换热器总量
（m）
用电量（kWh）
1
监控通信分中心
11200
25200
暂未用
2
桃城收费站
1650
4320
24138
3
滏阳收费站、养护工区
2500
8640
26144
4
衡水南收费站
1550
3840
23888
5
衡水湖服务区
5000
11640
50219
6
枣强收费站
1550
3840
24601
7
冀州服务区
3800
8880
42678
8
南宫收费站、养护工区
3450
8640
29680
9
威县北服务区
3800
9120
42676
10
常屯收费站
1550
4320
23706
11
威县收费站
1550
4200
21180
12
威县南服务区
3800
9840
42655
13
邱县收费站、养护工区
2900
7080
29367
14
邱县服务区
3800
9600
15
沙圪塔收费站
1550
4560
16
漳河服务区
3800
10800
41655
17
铺上收费站、养护工区
3450
7800
29665
18
大名服务区
4000
10560
19
大名省界站
3000
9480
25701
20
大名收费站
441
未用
21
已使用站点合计
64341
596630
2010年12月24日—2011年3月1日，在64341m2范围内共使用67d，系统电耗596630kW·h（机房设备联动控制柜电度表计量机房所有设备电耗，不含室内末端）；最冷月平均电耗㎡·d，推断采暖季最大电耗㎡·季（采暖120d），折合标煤㎡·季。
本指标已达到河北省《居住建筑节能设计标准》（DB13（J）63-2007）耗煤量指标的要求（要求为（邯郸）～（衡水）kg/㎡·季），远低于河北省《公共建筑节能设计标准》（DB13（J）81-2009）规定的要求。
与相似气候类型高速公路沿线房建设施采用燃煤锅炉供暖对比（与本案并行的石安高速2009年标准煤耗kg/㎡·季、2010年为32kg/㎡·季，处于本案中段相交的青银高速2009年标准煤耗kg/㎡·季、2010年为kg/㎡·季），本段高速房建采暖季节能减排量：
节约标煤1069t/季、减少粉尘135t、煤渣656t、二氧化碳2860t、二氧化硫约10t、氮氧化物约8t；相当于节电×106kWh/季。
随着室外地埋换热器回填料沉降密实并与围护地层充分“亲和”，地层换热趋于正常，热泵系统运行效率达到最佳，地源热泵系统的节能减排潜力可得到进一步挖掘。
2.经济效益
经济效益指各种空调采暖方式的初投资、运行费和热价及占地面积等。
按功能、使用条件相近原则选用分体空调+锅炉供暖方式与地源热泵对比；分体空调+锅炉供暖：
初投资万元/kW、运行成本元/kWh；地源热泵（本工程）：
初投资万元/kW、运行成本元/kWh。
将地源热泵系统和分体空调＋锅炉供热系统进行对比分析，对于本案63641m2的建筑，按正常供暖制冷计算：
分体空调＋锅炉供热系统，冷热源投资为万元，年运行费用为万元。
地源热泵系统冷热源投资为1350万元，年运行费用为万元。
地源热泵初投资增加万元，年运行费用节约153万元，3年即可收回其初投资增加的费用。
由于室外换热器均埋设于道路、绿化或人员活动区地下，热泵机房占用面积不到传统锅炉房的50%，且不需要堆放燃煤及废渣场地，所以采用地源热泵系统既节约用地又美化了环境。
3.社会效益
用浅层地热能，对替代常规商品能源，改善能源结构，保障能源安全，建设资源节约型、环境友好型社会以及实现可持续发展具有重要战略意义。
除所具有的市场潜力和良好的经济效益以外，在环境效益方面地源热泵机组与其它冷热源相比，更具有优势。
地源热泵空调系统在运行时全部能源由电提供，无任何污染，空调排热全部进入地下用于冬季采暖，不再对小环境造成热污染，并且不再悬挂室外机，美化了建筑外表面。
由于采用闭路循环系统，不消耗任何地下水资源，且不会对其带来任何污染。
此外，由于其较高的运行性能，可有效降低常规能源消耗，减少温室气体排放，没有燃烧，没有烟气排放，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，不会产生城市热岛效应，减排效果明显，是理想的绿色环保产品。
在未来几年中，河北省和全国一样，面临巨大资源与环境压力，要求提高能源利用效率和能源结构调整。
推广和应用地源热泵空调系统，可优化河北省空调能源结构，有效改善目前大气污染状况，对于改善和保证环京津地区的生态环境也具有重要意义。
实施单位联系方式
联系人：
甄伟超
联系方式：
经验材料之二
黄土高原地区高速公路服务站区地源热泵技术应用
实施单位：
山西省交通科学研究院
一、项目概述
1、项目背景
山西省高速公路服务站区冬季采用燃煤锅炉供暖，能源消耗大、运行费用高、污染严重。
以建筑面积3000m2的收费站为例，每年使用燃煤186t，向大气排放SO2约，排放锅炉烟尘，排放炉渣。
截止到2010年底，山西省高速公路通车里程突破3000公里，“十二五”期间，山西省还将加快建设，使全省高速公路总里程达到6300公里，以现有服务站区的能耗水平计算，届时服务站区每年将消耗燃煤4万吨，向大气排放SO2945吨，排放锅炉烟尘1953吨，排放炉渣9387吨，严重污染环境。
山西省高速公路服务站区的污染问题已经引起相关部门的高度重视，为此山西省环保厅和山西省交通运输厅联合出台相关规定，严格限制新建高速公路污染物的排放，同时对已建高速公路的服务站区进行节能改造，以减少能源消耗，降低污染物排放。
2、主要内容
项目主要内容包括：
前期调研勘探、系统设计、施工安装、运行调试、节能监测等过程。
①前期调研勘探
搜集当地的气候、地质等情况，通过热响应实验测试土壤的热物性，测量地下水资源状况，为系统设计的合理性提供依据。
②系统设计
根据施工场地、土壤的换热性、地下水的流量和温度以及经济性等因素，选择适当的能源方式，在此基础上进行设计，包括冷热负荷、系统管网、机房等。
③系统施工、调试
根据设计图纸进行施工，尤其土壤换热器和取回水施工，属于隐蔽工程，施工过程中需经多次测试，严格控制施工质量；施工完毕后进行系统调试，包括水系统调试、自动化控制调试、联动调试等。
④节能监测
节能监测主要监测地源热泵系统运行的供热量、供冷量及耗电量。
⑤科研推广
以临县土壤源热泵系统为例，进行土壤源热泵的长期跟踪调研，不断积累和分析运行数据，提高系统运行的节能效益。
3、实施情况
地源热泵已在山西省太佳高速公路吕梁段临县收费站（建筑面积3493m2）、临黄收费站（建筑面积2545m2）、方山收费站（建筑面积3641m2）和梁家庄收费站（建筑面积2228m2）实施，服务面积总计11907m2。
其中，临县收费站和临黄收费站以地下土壤作为冷热源，方山收费站和梁家庄收费站以地下水作为冷热源，夏季利用地源热泵供冷，冬季供暖。
项目总投资为万元，增量投资回收期4年，每年节约标准煤298t，减排CO2732t，SO2约吨t，NOx约，烟尘约。
作为一个产、学、研项目，本项目以临县收费站土壤源热泵为例，开展了相关课题的研究，主要包括以下几个方面：
①通过对夏季供冷、冬季供暖能力和冷热负荷特点的分析，研究系统的合理匹配方案；
②通过对运行过程中不同深度土壤温度场的变化，土壤持续供冷/热的能力，以及土壤温度场的恢复状况的研究，研究土壤温度场的平衡方案；
③对系统运行进行节能监测和分析，尤其是运行过程中地埋管侧水泵耗电、负荷侧水泵耗电、热泵机组耗电等；
④研究系统的节能运行方案等。
经过系统一个供暖期（约150天）的研究，已经取得了一定的阶段性成果。
二、节能原理
地源热泵是国家大力提倡的一种节能环保技术，其节能原理如图1所示：
夏季工况
冬季工况
图1地源热泵节能原理
①地下浅层土壤和地下水全年温度相对稳定、波动小（约11℃～15℃），夏季作为冷源，远低于冷却塔或者环境温度，可以有效降低空调机组压缩机的功率，节约电能；冬季作为热源，机组能效比远高于燃煤或燃油锅炉，一般情况下，地源热泵消耗1kw·h的电量可以提供4～5kw·h的冷/热量。
②冬季，采用传统散热器供热，当工作人员离开房间时散热器仍然供热；地源热泵实现了各房间的独立控制，避免了“为空房间供暖”，当工作人员离开房间时随手关闭室内风机，停止该房间的供热，减少机组热负荷，降低耗电量，节约能源。
③采用传统散热器供暖，室内温度场分布不均匀，为了保证效果需要提高供热负荷，浪费能源；地源热泵系统对室内空气进行循环加热，更有利于房间温度分布的均衡，节约大量的能源。
三、技术内容
1.主要技术内容
与传统能源系统相比，地源热泵具有很大的优势，具体如表2所示。
表2地源热泵与传统能源技术对比
项目
地源热泵系统
传统能源系统
前期设计
较复杂
简单
机房要求
无需冷却塔和锅炉，节约机房面积
供冷时需配冷却塔，供热时需配锅炉等辅助设施，占地面积较大，机房土建和设备投资较大
部分运行
供冷和供热均可独立控制各房间温度以及供冷、供热设备的开启，部分运行更节能
供冷时可以独立控制各房间的温度、供冷设备的开启，供热时一旦设备开启即为满负荷运行，浪费能源
人员要求
系统简单，一般技术人员即可应付自如，运管人数少
除了技术人员外，冬季还需配备多名锅炉工，运管人数多
维修成本
系统主要组成部分的寿命期均在25年以上，寿命期内只进行部分零部件的更换，维修费用低
锅炉寿命期为8年，25年内需进行2次更换，维护费用高
污染物排放
系统只消耗少量的电能，没有任何污染物排放
冬季供热时，锅炉燃烧排放大量的CO2，SO2，NOx，锅炉烟尘和炉渣，污染严重
地源热泵项目最重要的部分是地埋管换热器，包括地埋管换热器的设计、钻井、下管、回填等。
由于地埋管换热器直接与土壤进行热交换，因此要确保换热器的深度和间距，选择合适的回填材料增加导热系数，同时还要解决换热器之间的水力平衡问题。
除此之外，选择运行高效稳定、调节范围大、噪音小的地源热泵机组和能变频运行的循环泵，可以有效降低系统的能耗。
本项目的实施不但包括前期调研勘探、系统设计、施工安装、运行调试，还包括对系统的节能监测、运行研究等。
2.实施方案
本项目各收费站的冷热负荷计算如表3所示：
表3各收费站冷热负荷计算表
名称
建筑面积（㎡）
供冷负荷（kW）
供暖负荷（kW）
临县收费站
3493
临黄收费站
2545
方山收费站
3641
梁家庄收费站
2228
总计
11907
根据冷热负荷，各收费站主要设备配置如下：
1）临县收费站
螺杆式地源热泵机组1台 额定制冷量/输入功率
额定制热量/输入功率
室外地埋井120口，孔径150mm，间距，井深70m。
2）临黄收费站
小型地源热泵机组1台 额定制冷量/输入功率
额定制热量/输入功率
室外地埋井85口，孔径150mm，间距，井深70m。
3）方山收费站
小型地源热泵机组2台 额定制冷量/输入功率
额定制热量/输入功率
地下水最大取水量92m3/h。
4）梁家庄收费站
小型地源热泵机组1台 额定制冷量/输入功率，
额定制热量/输入功率
地下水最大取水量56m3/h。
此外，本项目还对临县土壤源热泵进行研究，研究内容包括：
①通过对冬季供暖、夏季供冷能力和冷热负荷特点的分析，得出系统的合理匹配方案；
②通过对运行过程中不同深度土壤温度场的变化，土壤持续供冷/热的能力，以及土壤温度场的恢复状况的研究，得出土壤温度场的平衡方案；
③对系统进行节能监测和分析，尤其是运行过程中地埋管侧水泵耗电、负荷侧水泵耗电、热泵机组耗电等；
④研究系统的节能运行方案等。
地源热泵测试原理图如图2所示。
3.技术创新点
用地源热泵代替传统空调和锅炉，利用地下浅层土壤和地下水全年温度相对恒定的特点，以浅层土壤和地下水作为冷热源，为建筑夏季供冷、冬季供热，从而达到系统节能、污染物零排放的目的。
A、B、C、D为测试井，E既是测试井也是工程井，其余为工程井
E井
A、B、C、D井温度探头布置
图2测试原理图
4.技术关键点
①前期调研勘探必不可少，要详细分析土壤的热物性和地下水的温度、流量，提供准确的设计参数；
②设计过程中要根据冷、热负荷，计算地埋管换热器的长度和地下水的取水量，并考虑一定的余量，以备不时之需；
③严格按照相关图纸、规范进行施工，尤其对于地埋管换热器和取回水管路等施工完毕后不易修复的隐蔽工程，更应该做到高标准、高要求。
四、推广应用条件
1.推广条件
地源热泵是一项成熟的节能技术，所需设备国内易于采购。
运行期间主要采用电能驱动，配电时需适当加大配电功率；其使用效果取决于使用地区的气候及地质条件。
2.适用范围
土壤源热泵适用于全年平均温度在4℃以上的地区，需有充足的场地进行地埋管换热器的布置，具体根据供冷热负荷及土壤热物性进行计算，若地质结构以岩石为主，系统投资大，经济性比较差；地下水源热泵适用于
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