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地源热泵供热系统在我省高速公路房建设施中的应用

浅谈地源热泵系统在我省高速公路附属房建设施中的应用

王秀明

辽宁省交通勘测设计院,沈阳110005

摘要:本文介绍了地源热泵系统的原理,并结合我省高速公路附属房建设施供暖现状,分析了地源热泵系统在我省高速公路附属房建设施中应用的可行性、经济效益及环境效益。旨在为现有的小型燃煤锅炉供热系统寻找一种可行的替代方案。

关键词:高速公路附属房建设施;热泵;地源热泵

1.概述

近年来,随着我国国民经济的发展,我省交通事业也迅速发展壮大。2005年底,全省高速公路总里程已达1773公里;预计2010年全省高速公路总里程将达到4000公里。由于高速公路里程数不断增加,高速公路沿线配套的服务区、管理处、收费站等房建设施数量也不断增加。以铁朝线为例:全长525km,设有服务区10处(含拟建);监控中心2处;养护工区4处;收费站17处(含主线站)。则全线共有站点33处。不考虑规模的大小,平均每16km就有一处附属的房建设施。

目前,北方地区高速公路附属房建设施冬季采暖绝大部分采用小型燃煤锅炉,燃料基本为劣质烟煤或型煤。小型燃煤锅炉效率低下,燃料浪费严重;大气污染物排放难以达标;废水、废渣等二次污染严重;工作人员劳动强度大,工作环境恶劣。

随着科学发展和社会进步,能源和环保已成为人类生存和发展的两大主题。而高速公路附属房屋建筑的节能减排是贯彻交通运输部“十一五”行业节能减排目标的重要组成部分;同时,取缔小型燃煤锅炉房的呼声日益高涨,因此人们迫切需求一种新的、绿色节能环保的供暖空调方式。因此,热泵技术尤其是地源热泵技术越来越受到人们的关注。2.热泵的定义及分类

2.1热泵的定义热泵是一种利用高位能使热量从低位热源传递到高位热源的机械装置。顾名思义,热泵的作用与水泵类似,它把不能直接利用的热能转换为可以直接利用的高位热能,从而达到供暖或空调的目的;水泵要消耗一定量的电能才可以把水从低处提取到高处,实现了“水往高处流”的目的,同样,热泵也需要消耗少量电能,将低温物体(空气、水、土壤等)中的热量提取出来,实现热量从低温物体向高温物体的传递。

2.2热泵的分类热泵的种类很多,分类方法也有很多种,其中最常用的是按低位热源的种类划分:空气源热泵、水源热泵(包括地下水源热泵、地表水源热泵、污水源热泵、

海水源热泵)、土壤源热泵、双级耦合热泵、太阳能热泵。1997年,ASHRAE将地下水源热泵、地表水源热泵和土壤耦合热泵通称为地源热泵,这是目前热泵领域最常见的几种型式,也是最有可能在高速公路系统应用的热泵型式。下面对于几种地源热泵应用方式作出简单的介绍:

地源热泵供热系统在我省高速公路房建设施中的应用

3.技术可行性

一般来说,高速公路沿线房建设施具有建筑面积相对较小、有独立的场区、建设地点均远离城区等特点,这种特点决定了无法采用城镇集中供暖作为热源。因此,必须采用一种独立供热装置作为冬季采暖热源,而热泵系统无疑是最具吸引力的一种。热泵的种类很多,不同的种类具有不同的特点,但并不是所有的热泵都能适合我省高速公路房建设施的供暖需求。显然,海水源、地表水源热泵及空气源热泵就无法在我国东北地区应用;太阳能热泵理论上不受所处地区和季节的影响,只要日照充足即可。但由于其间歇性和不可靠性的影响,使其应用收到了限制。如夜间、雨雪天气,当供热的需求加大时,恰好是太阳能热泵无法工作的时间。

地下水源热泵是以深井水或浅层地下水作为低位热源的装置。由于地下水温度相当稳定,全年变化不大甚至基本不变,因此非常适合水源热泵的运行。水源热泵具有节能、环保、经济效益显著等特点,但水源热泵也存在以下缺点:

1)必须具有充足的地下水源。可是我省高速公路的实际情况是大部分房建设施地下水资源匮乏,无法满足水源热泵的用水量要求。

2)对水质要求较严,必须根据水质分析结果采取相应的防腐措施。

3)井水回灌难。回灌井易堵塞,需要经常维护,回灌不利将直接导致系统运行失败。

4)抽水量大、地下水补给不充分且回灌不良时会造成地面下沉。

与水源热泵相比,土壤源热泵则具有明显的优势:

1)不要求充足的地下水资源。

2)对地下水质状况无特别要求。

3)仅需要敷设地埋管换热器,换热介质不与土壤直接接触,不抽取地下水,因此也不存在回灌难及地面下沉的问题。

当然,土壤源热泵系统也存在一些缺点,如初投资较高(相对于水源热泵);地下埋管换热器性能受土壤热物性参数影响较大,当土壤热导率较低时,地埋管的长度增加,占地面积增大;若建筑物冬夏负荷相差较大,长期运行会使土壤温度发生变化,从而影响热泵制冷或制热的性能。但以上缺点可以通过采取一些必要的措施加以解决。比如土壤热导率较低时,需要谨慎计算地埋管换热器占地面积,并比对所在场区允许的埋管面积。如果地埋管占地面积较大而产区场区埋管面积不足时,可适当加深埋管深度加以解决。以省内一个典型收费站为例:总用地约3500m2,建筑物占地约500 m2,建筑面积800m2,热负荷650kw;厂区边

沟、地下构筑物及管线占地按1500 m2计,则可用来敷设地埋管换热器的地表面积为1500 m2;将土壤热物性参数假定为最不利的情况,采用相关资料利用U型地埋管传热模型的计算结果30w/m进行计算,结果大概需要2133m管长;孔间距取5m,钻孔深度取60m,经计算占地面积约1200 m2。如果钻孔深度达到80m,占地面积约为900 m2。当管道敷设完毕,土壤回填之后,地表可绿化,可停车,不影响正常使用。

由此可见,土壤源热泵系统是取代高速公路房建设施小型燃煤锅炉的理想替代品。近年来,由于全国各大高校和科研机构的不懈努力,土壤源热泵技术在我国已日益成熟,一些有经验的施工队伍也相继出现。能否大规模的应用已不是一个技术问题,只是一个时间问题。4.经济效益

一般来说,地源热泵是节能的,但设备投资费用也一定会比传统方式有所增加。因此,不同的方案满足相同要求后,其效益很难用货币型式准确表达。因此,一般不采用净现值法和内部收益法,为了容易理解,建议采用投资回收年限法:

β=(C F- C A )/h(C B-C H)

β-投资回收期

C F-热泵系统的单位初投资,元/kw;

C A-燃煤锅炉房的单位初投资,元/kw;

C B-传统供热方式单位供热量价格,元/kwh;

C H-热泵单位供热量价格,元/kwh;

h-热泵年运行时数,h/年。

根据以往对城镇普通民用建筑地源热泵的经济性分析,初投资回收年限一般为3~5年。由于高速公路房建设施中均为小型锅炉,目前省内高速公路最大的锅炉也仅为 1.4MW(2吨)。如果将燃烧效率低、污染治理费用、运输费用、运行管理及相关部门每年的例行检测费用等因素考虑在内,则初投资回收年限会进一步降低;另外,凡是采用地源热泵的建筑物均不需要另设一套空调系统,从而又节省了夏季空调设备的投资。

5.环境效益

当今世界除了面临着能源紧张的问题外,还面临着环境恶化问题。传统的矿物燃料燃烧后产生会产生大量污染物,如温室气体CO2、CH4;可形成酸雨的SO x、NO x;造成二次污染的废渣、废水等。因此,大力发展可再生能源已成为我国21世纪发展国民经济和建设小康社会刻不容缓的主要任务和战略目标。

浅层地能是在太阳照射和地心热产生的大地热流的综合作用下,存在于地壳近表层数百米范围内恒温带中的土壤、砂岩、和地下水里的低温地热能。从本质上来讲,浅层地能属于太阳能的另一种表现形式,是一种可再生、无污染的清洁能源,其应用前景十分广阔。但由于其品位较低(东北地区6-16C o),很难被直接利用,但随着地源热泵技术的成熟,浅层地能的利用已成为现实。地源热泵就是这样一种利用浅层地能(地球浅表土壤、岩石或水体所蕴含的低位热能)用来供暖或制冷的冷热源方式。该装置的运行没有大气污染物排放,也没有废渣、废水等污染物的二次污染,不需要运输燃料,也不需要堆放燃料及废渣的场地,不会产生城市热岛效应,对环境非常友好,是理想的利用可再生能源的绿色环保产品。有数据表明,地源热泵系统与燃油锅炉相比,向用户供应相同热量的情况下可节约40%的一次能源,CO2排放量减少68%,SO2排放量减少93%,NO2排放量减少73%。正因为如此,很多国家都在大力发展热泵,把热泵作为减少排放的有效方式。

比如,在欧美日本等发达国家,热泵行业起步较早,技术成熟,因此其利用热泵供暖和制冷的比例很高。美国在上世纪末地源热泵系统已占暖通空调总量的三分之一以上,如果将其它型式的热泵考虑在内,这一比例还会更高;欧洲地源热泵的比例虽已很高,但其近年增长势头却有增无减,在1998-2000年的三年里,增长最有活力的是芬兰(25%)和法国(25%),其次分别是德国(22%)、瑞典(15%)和瑞士(11%)。

总之,由于能源的问题、环境保护的问题,各国对地源热泵的研究和使用方兴未艾,这一产业正在迅速地成长。可以断言,地源热泵将在节能和环保方面发挥越来越重要的作用。6.结语

热泵(尤其是地源热泵)系统的应用,可以减少不可再生能源的使用,同时大大改善城市及其它居住区的环境问题。同时,为了落实节约资源和保护环境的基本国策,国家陆续出台了一系列法规和政策用以支持地源热泵系统的应用,我省也制定了很多鼓励政策。因此,随着我省高速公路建设的迅速发展,地源热泵技术将在这一领域获得极大的发展。

参考文献

[1]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]ASHRAE.地源热泵工程技术指南[M].徐伟,等译.北京:中国建筑工业出版社,2001.

英文摘要

Simply talked about soil loop heat pump system application of Liaoning expressway additional building device

Wang-xiuming

( Liaoning provincal communication survey & design institute,Shengyang,110005)

Abstract:The paper described the theory of soil loop heat pump system, and combined with heat supplying actuality of Liaoning expressway additional building device. It also analyzed application feasibility, economic benefit and environment benefit. This paper can look for a substitute project to small scale boiler heat supplying system.

Key words: expressway additional building device ; heat pump ;soil loop heat pump