地源熱泵作為熱泵技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)新的分支，由于其節(jié)能和優(yōu)越的環(huán)保性能，近年來正在得到廣泛的應(yīng)用。地源熱泵是利用土壤的良好蓄熱及蓄冷特性進(jìn)行的熱力學(xué)逆循環(huán)的一種工程應(yīng)用;在冬季供熱時(shí)，熱泵系統(tǒng)通過預(yù)埋在地下的管道將儲存在地下的熱通過傳熱介質(zhì)吸收，作為逆循環(huán)中的低溫?zé)嵩矗蔁岜猛瓿赡嫜h(huán)并向熱用戶提供熱量;在夏季供冷時(shí)，利用地下環(huán)境溫度較低的特點(diǎn)使制冷系統(tǒng)中的冷凝溫度降低，從而提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)，與冷凝器直接與空氣環(huán)境進(jìn)行熱交換的普通空調(diào)器制冷相比，有一定的節(jié)能效果。由于地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行工作過程中除驅(qū)動(dòng)熱泵的動(dòng)力外，無需其他熱源或動(dòng)力，而驅(qū)動(dòng)熱泵的動(dòng)力主要是電能。因此，如不考慮電能的來源，地源熱泵系統(tǒng)是城市供熱及供冷的一種清潔能源，它不需要建立一般城市供熱所需的鍋爐房，同樣也不存在由于燃料燃燒(燃煤、燃油)而帶來的城市環(huán)境污染問題，可以實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供。此外，在實(shí)際使用中，對于一些受客觀條件限制而無法采用其他供熱、供冷方式的場所，如高速公路收費(fèi)站、人員設(shè)備相對較少的科考站、邊防哨所，地源熱泵則更體現(xiàn)出其特有的優(yōu)越性;基于以上特點(diǎn)，本文對津港高速公路收費(fèi)站地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

　　一、地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

　　1.1　熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

　　津晉高速公路天津段自天津起至大港，全長35公里，建有三個(gè)收費(fèi)站。津港收費(fèi)站包括綜合樓、綜合樓附屬用房及7個(gè)收費(fèi)亭。其中綜合樓建筑面積為744m2;綜合樓附屬餐廳為80m2;7個(gè)收費(fèi)亭合計(jì)建筑面積47m2;津港收費(fèi)站合計(jì)總建筑面積為871m2。

　　根據(jù)天津氣候條件及收費(fèi)站建筑物的土建圍護(hù)結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用了ASHRAE推薦提供的CLF冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算收費(fèi)站建筑負(fù)荷;地源熱泵系統(tǒng)在制冷工況時(shí)，蒸發(fā)器溫度為7～12℃，冷凝器溫度為30～35℃，室內(nèi)溫度25℃。其中收費(fèi)站綜合樓和附屬用房的供冷負(fù)荷為120W/m2，收費(fèi)亭供冷負(fù)荷為220W/m2。據(jù)此，津港收費(fèi)站供冷z*大負(fù)荷合計(jì)為113 KW，津港收費(fèi)站埋地?fù)Q熱器放熱z*大負(fù)荷合計(jì)為146 KW。

　　熱負(fù)荷計(jì)算，本設(shè)計(jì)采用了ASHRAE推薦提供的方法計(jì)算收費(fèi)站建筑熱負(fù)荷，地源熱泵系統(tǒng)在制熱工況時(shí)，冷凝器溫度為45～50℃，蒸發(fā)器溫度為2～6℃，室內(nèi)溫度為18℃。其中收費(fèi)站綜合樓和附屬用房的供熱負(fù)荷為100w/m2， 收費(fèi)亭供負(fù)荷為120 W/m2。由此可以計(jì)算出津港收費(fèi)站z*大供熱負(fù)荷為92KW。

　　1.2　室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　津港收費(fèi)站需要供熱、制冷的房間位置相對比較集中，功能比較單一。根據(jù)津港收費(fèi)站現(xiàn)場的實(shí)際情況，地源熱泵系統(tǒng)為集中空調(diào)系統(tǒng)，附屬用房單獨(dú)設(shè)計(jì)熱泵機(jī)房，室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，以達(dá)到每個(gè)房間要求的空調(diào)溫度。

　　1.3　室外埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)該建筑的實(shí)際情況設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)以達(dá)到夏季制冷、冬季供熱的要求，津港高速公路收費(fèi)站地源熱泵系統(tǒng)的室外埋管系統(tǒng)采用垂直U型埋管方式。根據(jù)埋地?fù)Q熱器放熱z*大負(fù)荷計(jì)算，采用垂直U型埋管方式需打井45口，井深100米。室外垂直埋管占地面積z*小需要300平米，收費(fèi)站的實(shí)際占地面積完全可以滿足施工要求。此外，在埋管場地上還可建停車場、裝飾或植樹綠化等設(shè)施;對地面實(shí)際有效使用面積并無影響。地源熱泵系統(tǒng)工作簡圖如圖1所示，冬季供熱和夏季供冷時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)通過控制四通閥可以實(shí)現(xiàn)冬、夏兩季不同工況的轉(zhuǎn)換。

　　二、津港收費(fèi)站地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

　　夏季空調(diào)運(yùn)行100天，每天24小時(shí)運(yùn)行。冬季空調(diào)運(yùn)行120天，每天24小時(shí)運(yùn)行。室內(nèi)空調(diào)循環(huán)水泵功率為3 KW，室外空調(diào)循環(huán)水泵3KW，熱泵機(jī)組兩臺，單臺機(jī)組電功率13.3KW，運(yùn)行系數(shù)0.49，根據(jù)有關(guān)實(shí)際運(yùn)行情況及室內(nèi)外參數(shù)情況，對系統(tǒng)在冬、夏兩季的耗電量和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

　　電價(jià)計(jì)算時(shí)按峰、谷、平計(jì)算，其中：

　　峰電價(jià)： 0.8933(元/kw·h)， 時(shí)間：8：00～11：00　18：00～23：00

　　谷電價(jià)：0.2873(元/kw·h)，時(shí)間：23：00～7：00

　　平電價(jià)：0.5793(元/kw·h)，時(shí)間：11：00～18：00　7：00～8：00

　　根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，地源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷工況工作時(shí)，Cop=4.50;在冬季供熱工況工作時(shí)，Cop=4.1。

　　在同樣的供熱和制冷負(fù)荷條件下，如采用普通的空調(diào)器進(jìn)行冬季供熱和夏季制冷，其中在供熱工況時(shí)，普通空調(diào)器的性能系數(shù)為2.2，而在制冷工況時(shí)，制冷系數(shù)為2.9，在此條件下，運(yùn)行費(fèi)用為：冬季供熱：71057元，夏季制冷55175元;全年共計(jì)126232元。與此相比，地源熱泵可節(jié)約費(fèi)用約63%。

　　三、 結(jié)　論

　　通過對津晉津高速公路津港收費(fèi)站地源熱泵系統(tǒng)的分析，本文得出以下結(jié)論：

　　1.由于采用了地下埋管換熱器，使地源熱泵系統(tǒng)在冬季供熱時(shí)的COP值增加，本文實(shí)測可達(dá)4.5，這是由于冬季工況工作時(shí)，地下溫度比環(huán)境溫度高，從而使地源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度提高，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP值增加。

　　2.地源熱泵系統(tǒng)在夏季供冷時(shí)，由于地下溫度低于環(huán)境溫度，使熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷系數(shù)提高，高于普通空調(diào)器的制冷系數(shù)。

　　3.與以空氣作為熱源的普通空調(diào)器相比，在滿足相同的冷、熱負(fù)荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用65%左右。

　　4.由于地源熱泵系統(tǒng)無需消耗燃料，使用便捷;可以有效改進(jìn)局部環(huán)境，對環(huán)境保護(hù)有積極的促進(jìn)作用。