浅议地源热泵在地铁车站中的应用及展望

姚迪 郭硕 张旭 施冠男 张凌宇 隋连生

摘 要 地源热泵系统是目前广泛使用的可再生能源系统，地源热泵系统在地铁车站中的应用，能有效降低地铁车站空调系统运营能耗，对城市轨道交通系统节能减排、节约运营费用具有重要的意义。本文介绍了地源热泵的概念和特点，阐述了地源热泵的工作原理及其在地铁车站中运用。

关键词 地铁车站;地源热泵;节能环保

1地源热泵的概念及特点

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就像泵一样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、生活和生产废热等）转化为可利用的高位热能，从而达到节省部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。根据《地源热泵系统工程技术规范》的定义，地源热泵系统是指以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位或高温位的能量转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。热泵技术在空调领域的应用可分为空气源热泵、水源热泵以及地源热泵三类，其中地源热泵效率最高。由于热泵是提取自然界中能量，节能、高效、零维护费用、健康舒适、安全、性能可靠、寿命长、可一机多用、可再生、节约用水、控制方便、整体美观、节省占地面积、没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济的能源方式。在资源越来越匮乏的今天，作为人类利用低温热能的最先进方式，热泵技术已经在全世界范围内受到广泛关注和重视[1]。

2地源热泵工作原理

地源热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这就是地源热泵节能的原理。地源热泵系统是从常温土壤或地表水（地下水），冬季从地下提取热量，夏季把建筑的热量又存入地下，从而解决冬夏两季采暖和空调的冷热源。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温，同时储存热量，以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间，对房间进行供暖，同时储存冷量，以备夏用，大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉，这样就实现了能量的季节转换。

2.1 制冷模式

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以冷风的形式为房间供冷。

2.2 制热模式

在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以热风的形式向室内供暖[2]。

3地源热泵在地铁车站中应用的重要意义

地源热泵是一种利用地表浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤和地表水等携带的能量）的再生利用系统。该系统没有燃烧，没有排烟及废弃物，清洁环保，无污染。地源热泵系统利用清洁、无污染的地热能，目前在大型公共建筑中受到了广泛的关注和应用，其系统运行效果、经济效益良好，能效比高。在地铁运营过程中，环境控制系统的用电量占了相当大的比重，特别是带有空调的环控系统，尽管其投资仅占车站总投资的8%～10%，但其用电量却占到了整个地铁耗电量的40%～50%。因此在环控系统的设计、运行等许多环节上进一步优化，找到可行的节能措施及可再生能源利用将对地铁的经济运行具有十分重要的意义。地铁车站中使用地源热泵系统，能在满足车站环控系统使用要求的同时，节约系统能耗，同时带来良好的经济和环境效益。

4地源热泵在地铁车站中应用展望

地源热泵是利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统，是一种高效节能系统，完全符合我国能源和经济可持续发展的方向。《中国地源热泵行业发展可行性分析报告》显示，我国地源热泵行业近几年来发展迅速，各地的地源热泵项目不断增加，这不仅得益于我国丰富的地热资源、相关技术的不断完善，还得益于来自节能减排的压力。我国地源热泵经过几十年的发展已经具有很大的市场，生产地源热泵的厂家有一百多家，国外先进地源热泵技术也逐渐向国内引进，无论是在规模上还是在质量上，都在逐渐接近世界先进水平行列。同时，国内已有多家学术机构建立起土壤源热泵实验台，主要开展对地下换热器和地面热泵设备长期联合运行的研究。我国地源热泵技术的建筑应用面积已超过1.4亿平方米，全国地源热泵系统年销售额超过80亿元，并以20%以上的速度增长，单体地源热泵系统应用面积高达80万平方米。从地源热泵主机市场来看，2010年，我国地源热泵主机市场规模约为25亿元，同比增长31%左右，增幅为近年来最大，到2011年市场规模达到31亿元，同比增长23%左右，2012年市场规模增加至33亿元左右。随着我国地铁建设规模不断增大，地铁运营用电量的猛增，地源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式受到了政府和社会越来越广泛的关注，也得到了国家和各级政府的大力推广和扶持，地源热泵技术将会在地铁中应用得越来越广泛。

参考文献

[1] 刘强. 关于XX地铁车站采用地源热泵技术方案的研究[C].中国鐵道学会铁路暖通空调专业2006年学术交流会.中国铁道学会铁路暖通空调专业2006年学术交流会论文集.成都：中国铁道学会，2006：15-27.

[2] 陈友媛，韩亚军，李文伟，等. 青岛地铁地源热泵技术综合应用可行性分析[C].中国环境科学学会2010年学术年会.中国环境科学学会2010年学术年会论文集.上海：中国环境科学学会，2010：588.

作者简介

姚迪（1985-），男，吉林省长春市人;专业：建筑环境与设备工程，工程师，现就职单位：长春市轨道交通集团有限公司，研究方向：地铁公司管线排迁。