水源热泵技术在高速公路中的应用

段建力

(黑龙江省公路勘察设计院)

随着我国经济建设的快速发展，能源和环保的问题已日益凸现，能源为改善人类生活和促进经济发展所必需，另一方面能源也可能带来空气污染、地球变暖等健康和环境问题。水源热泵技术的开发为利用可再生热能提供了强有力的手段，满足了节约能源和保护生态环境的要求。结合工程实例介绍了水源热泵技术在高速公路上的应用。

1 水源热泵的现实意义

当今的社会发展一日千里，能源的消耗与环境的污染日益严重。节能减排已经成为了社会各界关注的焦点话题。在当今社会节能减排已不仅仅是一个国家的问题，而是全球性的、关系到人类的生存与发展问题。“十一五”规划提出的节能降耗和污染减排目标是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措，是建设资源节约型与环境友好型社会的必然选择。在科技发展如日中天的当今社会，节能减排正在向核心科技呼唤，而掌握核心科技的主要途径非自主创新莫属。作为新一代自主创新的新星，水源热泵技术的诞生对于我国的节能减排事业起到了至关重要的作用，将为我国的节能减排事业做出突出的贡献。

生态资源保护、环境可持续发展和能源短缺的问题，已成为近年来我国经济社会快速、可持续发展的“瓶颈”。作为一个发展中国家，现阶段正是经济发展与环境保护矛盾突出的阶段。我国早在2004年国家《节能中长期专项规划》中，就已把建筑节能和余热余压利用作为节能的重点领域和重点工程之一。2005年，党的十六届五中全会提出“要把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会”。在2006年《第十一个五年规划纲要》中明确提出，“十一五”期间单位国民生产总值能耗要降低20%左右，主要污染物排放总量要减少10%。为确保“十一五”期间节能减排工作的推进，制定下发了一系列与节能减排相配套的政策措施。并在《“十一五”十大重点节能工程实施意见》中进一步指出:“开展再生能源技术城市级示范活动，探索推广机制和模式，包括太阳能利用、淡水源热泵、海水源热泵、浅层地能利用和可再生能源技术集成等。

《建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》中，明确将热泵技术列入重点技术领域鼓励在建筑中予以应用。高速公路的收费站、管理处、养护工区等房建的供暖，由于距离城市、乡镇的供暖、供热系统距离较远，供暖、供热成本较大，水源热泵由于具有高效，节能，经济等优点而成为极具发展潜力的绿色环保技术，在高速公路的收费站、管理处、养护工区等房建的供暖采用水源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和燃烧产生的污染物的排放，减排、节能具有广阔的应用前景。

2 项目内容及规模

大广高速公路是国家高速公路“7918工程”规划网中从中国东北黑龙江省大庆市至中国南方广东省广州市的一条高速公路。大广高速大庆至肇源(省界)段，起于萨尔图机场，途经萨尔图区、龙凤区、红岗区、大同区、肇州县、肇源县，终于肇源县黑吉省界，全长148.6km。

为了响应国家节能减排、低碳环保、绿色节能的要求，在大广高速大庆至肇源(省界)段沿线8个收费站，1个管理处，房建采用了水源热泵技术。

3 水源热泵的工作原理

地球表面浅层水源(如深度在1000m以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋)吸收了太阳进入地球的辐射能量，这些水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

本项目位于大庆地区，地下水温度为7～8℃，地下水性质偏碱性，地下水的埋深较浅，管理处及收费站办公楼冬季采用地板辐射采暖，夏季末端采用风机盘管，车库末端装置采用散热器。系统通查定时温控组合控制，可定温、定时运行。供热过程是潜水泵将温度7℃左右的地下水抽取后，进入热泵机组的蒸发器，被提取了热量后通过高温二级管网循环水再被送至车库及办公楼供暖。制冷过程是潜水泵将温度8℃左右的地下水抽取后，进入热泵机组的冷凝器，被提取了冷量后通过冷冻水供水再被送至办公楼制冷。

4 水源热泵的特点

4.1 可再生能源利用技术

水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源。

4.2 高效节能

水源热泵的突出特点是热效率高，节能显著。这种装置只需消耗少量的高智能(电能)，就可获得较高的热能，机组能效比(COP值)可达5.0以上，因而减少了能源的浪费。每输入1度电，可获取3～6倍的热能。

4.3 运行稳定、可靠

水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

4.4 环境效益显著

水源热泵使用的电能是一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比减少30%以上，与电供暖相比减少70%以上。水源热泵机组的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

4.5 一机多用，应用范围广

水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。

4.6 自动运行

水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低;自动控制程度高，使用寿命长可达到15a以上。

5 系统的经济效益分析

水源热泵既能供暖又能空调，既环保又节能，这里仅通过对水源热泵与传统的供暖空调方式进行比较，探讨其经济性。

以本项目管理处场区为例，水源热泵系统设备投资为259万元，锅炉和空调为168万元，水源热泵一机两用，冬季供暖，夏季制冷，年运行总费用约为20万元(冬季采暖20.6元/m2，夏季制冷5.32元/m2)，锅炉和空调年运行费用约为59万元(锅炉供暖费用为55元/m2，空调制冷费用21.6元/m2)。年节约费用为39万元，静态回收期(总投资/年节省)为2.3a。通过使用该系统每年可节省煤炭351t;减少烟气排放量达760万m3。

综上所述，采用水源热泵技术提取热源水中低温热能，实现能源合理利用，辅助电能供热，安全可靠性高，运行费用较低。同时省去市政热力管网和制冷系统，节省占地，维护费用较低。机组自动化程度高，可根据需要设定供回水温度，运行简单，定员少，采用热泵机组，可完全消减锅炉房污染，环保性好，具有广阔的应用前景。

［1］ 刘通祥.低温水源热泵的开发与应用［J］.北方工业大学，2009，(8).

［2］ 洪元柏.水源热泵节能性分析及在我国的前景展望［J］.山西建筑，2005，(17).

［3］ 黑龙江省公路勘察设计院.大广高速大庆至肇源段设计文件，2008.

［4］ 尤晶，董明.高温水源热泵在地热供暖中的应用［J］.中国论文下载中心，2006，(1).