段建力

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，能源和環(huán)保的問(wèn)題已日益凸現(xiàn)，能源為改善人類生活和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必需，另一方面能源也可能帶來(lái)空氣污染、地球變暖等健康和環(huán)境問(wèn)題。水源熱泵技術(shù)的開(kāi)發(fā)為利用可再生熱能提供了強(qiáng)有力的手段，滿足了節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求。結(jié)合工程實(shí)例介紹了水源熱泵技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用。

1 水源熱泵的現(xiàn)實(shí)意義

當(dāng)今的社會(huì)發(fā)展一日千里，能源的消耗與環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。節(jié)能減排已經(jīng)成為了社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)話題。在當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排已不僅僅是一個(gè)國(guó)家的問(wèn)題，而是全球性的、關(guān)系到人類的生存與發(fā)展問(wèn)題?！笆晃濉币?guī)劃提出的節(jié)能降耗和污染減排目標(biāo)是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措，是建設(shè)資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。在科技發(fā)展如日中天的當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能減排正在向核心科技呼喚，而掌握核心科技的主要途徑非自主創(chuàng)新莫屬。作為新一代自主創(chuàng)新的新星，水源熱泵技術(shù)的誕生對(duì)于我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)起到了至關(guān)重要的作用，將為我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)做出突出的貢獻(xiàn)。

生態(tài)資源保護(hù)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和能源短缺的問(wèn)題，已成為近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速、可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，現(xiàn)階段正是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾突出的階段。我國(guó)早在2004年國(guó)家《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》中，就已把建筑節(jié)能和余熱余壓利用作為節(jié)能的重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程之一。2005年，黨的十六屆五中全會(huì)提出“要把節(jié)約資源作為基本國(guó)策，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”。在2006年《第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確提出，“十一五”期間單位國(guó)民生產(chǎn)總值能耗要降低20%左右，主要污染物排放總量要減少10%。為確保“十一五”期間節(jié)能減排工作的推進(jìn)，制定下發(fā)了一系列與節(jié)能減排相配套的政策措施。并在《“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見(jiàn)》中進(jìn)一步指出:“開(kāi)展再生能源技術(shù)城市級(jí)示范活動(dòng)，探索推廣機(jī)制和模式，包括太陽(yáng)能利用、淡水源熱泵、海水源熱泵、淺層地能利用和可再生能源技術(shù)集成等。

《建設(shè)部、財(cái)政部關(guān)于推進(jìn)可再生能源在建筑中應(yīng)用的實(shí)施意見(jiàn)》中，明確將熱泵技術(shù)列入重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域鼓勵(lì)在建筑中予以應(yīng)用。高速公路的收費(fèi)站、管理處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)等房建的供暖，由于距離城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的供暖、供熱系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，供暖、供熱成本較大，水源熱泵由于具有高效，節(jié)能，經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而成為極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色環(huán)保技術(shù)，在高速公路的收費(fèi)站、管理處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)等房建的供暖采用水源熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，減排、節(jié)能具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 項(xiàng)目?jī)?nèi)容及規(guī)模

大廣高速公路是國(guó)家高速公路“7918工程”規(guī)劃網(wǎng)中從中國(guó)東北黑龍江省大慶市至中國(guó)南方廣東省廣州市的一條高速公路。大廣高速大慶至肇源(省界)段，起于薩爾圖機(jī)場(chǎng)，途經(jīng)薩爾圖區(qū)、龍鳳區(qū)、紅崗區(qū)、大同區(qū)、肇州縣、肇源縣，終于肇源縣黑吉省界，全長(zhǎng)148.6km。

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、低碳環(huán)保、綠色節(jié)能的要求，在大廣高速大慶至肇源(省界)段沿線8個(gè)收費(fèi)站，1個(gè)管理處，房建采用了水源熱泵技術(shù)。

3 水源熱泵的工作原理

地球表面淺層水源(如深度在1000m以內(nèi)的地下水、地表的河流、湖泊和海洋)吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的輻射能量，這些水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取能量，由熱泵原理通過(guò)空氣或水作為制冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵水泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。

本項(xiàng)目位于大慶地區(qū)，地下水溫度為7～8℃，地下水性質(zhì)偏堿性，地下水的埋深較淺，管理處及收費(fèi)站辦公樓冬季采用地板輻射采暖，夏季末端采用風(fēng)機(jī)盤管，車庫(kù)末端裝置采用散熱器。系統(tǒng)通查定時(shí)溫控組合控制，可定溫、定時(shí)運(yùn)行。供熱過(guò)程是潛水泵將溫度7℃左右的地下水抽取后，進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，被提取了熱量后通過(guò)高溫二級(jí)管網(wǎng)循環(huán)水再被送至車庫(kù)及辦公樓供暖。制冷過(guò)程是潛水泵將溫度8℃左右的地下水抽取后，進(jìn)入熱泵機(jī)組的冷凝器，被提取了冷量后通過(guò)冷凍水供水再被送至辦公樓制冷。

4 水源熱泵的特點(diǎn)

4.1 可再生能源利用技術(shù)

水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多，而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源。

4.2 高效節(jié)能

水源熱泵的突出特點(diǎn)是熱效率高，節(jié)能顯著。這種裝置只需消耗少量的高智能(電能)，就可獲得較高的熱能，機(jī)組能效比(COP值)可達(dá)5.0以上，因而減少了能源的浪費(fèi)。每輸入1度電，可獲取3～6倍的熱能。

4.3 運(yùn)行穩(wěn)定、可靠

水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。

4.4 環(huán)境效益顯著

水源熱泵使用的電能是一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比減少30%以上，與電供暖相比減少70%以上。水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

4.5 一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣

水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。

4.6 自動(dòng)運(yùn)行

水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低;自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15a以上。

5 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

水源熱泵既能供暖又能空調(diào)，既環(huán)保又節(jié)能，這里僅通過(guò)對(duì)水源熱泵與傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式進(jìn)行比較，探討其經(jīng)濟(jì)性。

以本項(xiàng)目管理處場(chǎng)區(qū)為例，水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備投資為259萬(wàn)元，鍋爐和空調(diào)為168萬(wàn)元，水源熱泵一機(jī)兩用，冬季供暖，夏季制冷，年運(yùn)行總費(fèi)用約為20萬(wàn)元(冬季采暖20.6元/m2，夏季制冷5.32元/m2)，鍋爐和空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)用約為59萬(wàn)元(鍋爐供暖費(fèi)用為55元/m2，空調(diào)制冷費(fèi)用21.6元/m2)。年節(jié)約費(fèi)用為39萬(wàn)元，靜態(tài)回收期(總投資/年節(jié)省)為2.3a。通過(guò)使用該系統(tǒng)每年可節(jié)省煤炭351t;減少煙氣排放量達(dá)760萬(wàn)m3。

綜上所述，采用水源熱泵技術(shù)提取熱源水中低溫?zé)崮埽瑢?shí)現(xiàn)能源合理利用，輔助電能供熱，安全可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用較低。同時(shí)省去市政熱力管網(wǎng)和制冷系統(tǒng)，節(jié)省占地，維護(hù)費(fèi)用較低。機(jī)組自動(dòng)化程度高，可根據(jù)需要設(shè)定供回水溫度，運(yùn)行簡(jiǎn)單，定員少，采用熱泵機(jī)組，可完全消減鍋爐房污染，環(huán)保性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 劉通祥.低溫水源熱泵的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.北方工業(yè)大學(xué)，2009，(8).

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［3］ 黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院.大廣高速大慶至肇源段設(shè)計(jì)文件，2008.

［4］ 尤晶，董明.高溫水源熱泵在地?zé)峁┡械膽?yīng)用［J］.中國(guó)論文下載中心，2006，(1).