地源热泵在高速服务区替代燃煤锅炉零碳技术的应用研究

摘要：在我国，地源热泵的研究起始于20世纪80年代。该项目技术采用竖直埋管换热器布置地源热泵机房。冬季，热泵机组从土壤中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到土壤、岩石中，实现建筑物空调制冷。该技术高效节能，充分利用地能，通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的冷量或4kW以上热量，与传统中央空调相比可节约40%~50%的能源。利用地源热泵达到燃煤锅炉燃烧1t燃煤的同等效果，地源热泵机组可减小CO2排放2.35t，减小颗粒物排放0.04t，可广泛应用于高速公路、港口、码头、铁路、轨道交通等各类建筑的采暖、制冷和生活热水需求。关键词：交通建设；高速服务区；能源利用；地源热泵；节能环保1技术概况地源热泵在世界范围内应用日趋广泛，我国的地源热泵近几年发展迅速。中国科技部和美国能源部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一就是地源热泵的推广。地源热泵是利用地下常温土壤、岩石等温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷，还可提供生活热水，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，同时能够在不便于接引热力管网的地区使用。地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉、冷却塔，也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率平均提高近50%,比燃油炉的效率高75%。2技术原理热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分电能，从环境介质中提取几倍于输入电能的能量，提高温位进行利用。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。原理如图1所示。3技术创新点在我国，地源热泵的研究起始于20世纪80年代，最近该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界的热门研究课题，并开始大量应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，掀起了一股“地热空调”热潮。在工程应用方面，地下水地源热泵系统数量最多，应用范围最广。该技术高效节能，充分利用地能。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的热量或4kW以上的冷量，与传统中央空调相比可节约40%~50%的能源。利用地源热泵达到燃煤锅炉燃烧1t燃煤的同等效果，地源热泵机组可减小CO2排放2.35t，减小颗粒物排放0.04t。4技术应用情况仅以北京市为例，北京2000年利用浅层地能的面积仅为17万平方米，2005年初达到500万平方米，2005年新增浅层地能的建筑面积达到300万平方米，至此，仅北京市浅层地能利用面积就达800万平方米，全国地源热泵系统的应用面积已经接近3000万平方米。目前全国在建地源热泵项目约为500万平方米，规划使用地源热泵系统的建筑面积约为700万平方米。辽宁沈海高速服务区包含甘泉服务区、塔山服务区、绥中服务区、凌海服务区、万家服务区、辽河服务区、兴城服务区，总应用面积48634平方米。不具备并入市政供热管网条件，经过市场调研，该处建筑房屋的采暖决定采用地源热泵供暖方式。原系统采用燃煤锅炉系统供热，依靠煤炭燃烧，必须消耗资源有限的一次矿物质化石燃料，煤炭燃烧化学反应产生能量加热供热介质，燃烧产物CO2、CO、NOX、烟尘等有害物质排入大气，对环境造成污染且系统综合效率低，有水消耗，需设专用煤灰场及风机除尘等辅助设备，占地面积大，且需定期更换炉排等易损部件，维修费用高。目前政府部门已限制其发展，现存燃煤锅炉正在逐步改造，其发展前景不符合现代化城市可持续发展战略。更改的地源热泵系统提取可再生的浅层地能（热），利用成熟热泵技术装置，产生高温能量。冬季采暖供热在物理变化状态下进行，能效比大于等于4。从安全可靠性来讲，具有使用寿命长的特点，寿命约为20年；无需设煤灰场、油库、燃气站网，无需专设消防、通风等设施，系统工作压力和温度较低，可实现远程监控，无需跟班值守人员；机组运行稳定、可靠，故障率低，维护维修费用低。该项目实施后每年减煤698t，减排1815tCO2。地源热泵系统充分利用自然界低位能，单位面积供冷、暖费用低，节能效果突出；无燃烧，无任何固态、液态和气态污染物排放，不消耗水资源，是新型可持续发展能源。其他项目应用情况见表1。5技术实施方案本工程采用竖直埋管换热器，做地源热泵机房，通过地源热泵机组进行循环。冬季，热泵机组从土壤中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到土壤、岩石中，实现建筑物空调制冷。技术准备是整个施工准备的核心，由于任何技术的差错或隐患都可能引起人身安全和质量事故，造成生命、财产和经济的巨大损失，因此必须认真做好技术准备工作。确定施工关键线路，把握工序合理搭接，科学划分施工作业流水段，保证关键工序线路如期完成。施工现场规范管理，施工顺序按照先竖直地埋换热器、末端系统、外网管线铺设，然后再做地源热泵机房安装，连接地源系统和末端系统，最后整个系统调试运行。6节能降碳效益测算评价6.1节能降碳效益6.2经济效益6.3社会效益2015年1月1日，新环保法正式实施，环保形势空前严峻，协同解决京津冀区域内的生态环保问题，已成为京津冀协同发展的