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地源热能在高速公路上应用技术研究

字平?郑其华
摘要：近年来，随着我国国民经济的发展，交通事业也迅速发展壮大。由于高速公路里程数不断增加，高速公路沿线配套的服务区、管理处、收费站等房建设施数量也不断增加。目前，我国高速公路附属房建设施冬季采暖绝大部分采用小型燃煤锅炉，燃料基本为劣质烟煤或型煤。小型燃煤锅炉效率低下，燃料浪费严重；大气污染物排放难以达标；废水、废渣等二次污染严重；工作人员劳动强度大，工作环境恶劣。如果地热能源热泵技术能够在高速公路建设中成功地推广应用，将能很好地解决高速公路节能减排建设的用能中环保、节能及安全等问题。本文主要探索了地源热能在高速公路上应用技术。
关键词：地源热能；高速公路；应用技术
一、地源热泵技术特点
（一）经济节能。地源热泵作为一项经济有效的节能技术，主要利用的是储存在地下浅层的可再生地热资源。一般情况下，地表浅层地热资源以及地能的温度较为稳定，可以作为优良的空调冷源与热泵热源，和传统空调系统相比，地源热泵的运行效率高了40%，这就决定了其节省运行费用也达到了40%。
（二）低碳环保。地源热泵系统使用的是电力，同时不需使用冷却塔，不需要外挂机，不向大气环境直接排热，也不需要燃烧，对环境实现的是无污染排放；另一方面，不抽取地下水，对地下水资源不造成破坏，其不发生热岛效应，不出现噪音。
（三）运行稳定。电脑控制整个系统，能够电话遥控，不受室外气候条件的影响，同时能够进行温湿度控制以及新风配送，系统运行稳定。
（四）使用寿命长。地源热泵它的机械运动部件较少，很耐用，所有的部件不是安装在室内就是埋在地下，防止了室外恶劣气候对其使用壽命的制约，一般使用寿命可以超过20年。
二、地源热泵的分类
（一）地下水源热泵。地下水源热泵系统的热源主要是通过废弃的矿井或者水井中对地下水进行抽取。一般其系统的形式利用的是一侧与地下水相连，一侧与热泵机组相连。初期地下水系统主要利用的是单井系统，也就是把地下水在板式换热器换热的基础上，实现直接排放。其最大的缺陷就是将地下水资源大力的浪费，极易导致地层塌陷，从而有可能引发地质灾害。接着随着技术的发展，双井系统孕育而生，包括了井回灌、井抽水。其中地下水热泵应用较多的为在50m之内的浅井，其特点就是水井与水井之间较紧凑、占地面积较小比土壤源热泵造价低。其不足就是难以充足的供应地下水，在水处理这一环节上要求严格，同时抽取的地下水需要全部回灌切不可受到污染。
（二）土壤源热泵。土壤源热泵展开闭路循环的热泵系统，主要利用的是地下岩土层中热量进行。热泵的换热器一般是埋在地下，能和大地展开冷热交换。主要是在循环液的基础上，于密闭地下的埋管中进行流动，达到系统、大地两者的传热。在夏季制冷的情况下，系统进行逆向运行，也就是通过室内将热量带走，接着由系统把热量送至地下岩土层内。在冬季需要供热的情况下，流体通过地下将热量收集，接着由系统将热量带至室内。一般情况下，地下热交换器的布置形式主要包括了三类，即水平埋管、垂直埋管、蛇行埋管。水平埋管换热器造价不高，分为多管、单管这两种形式，埋设深度在1.5～3.0m之间。垂直埋管换热器利用的一般是U型方式，依据实际的埋管深度能够分为浅层、中层、深层，同时该系统所需要的管材少、占地面积小、泵耗能较低，而单位管长换热量一般比水平埋管高，然而其造价也较高。战队蛇行埋管换热器而言，其较为适用于场地有限的情况下。其挖掘量只为单管水平埋管换热器的 20%左右，然而其用管量需要较多。
（三）地表水源热泵。地表水源热泵本身就具备维修方便、造价低廉、 泵耗能低的优点。湖泊、池塘、河溪中的地表水被作为地表水源热泵系统的热源。地表水源热泵一般可以分为开路系统与闭路系统这两者。不适用于开路系统以及寒冷地区中，通常只能采用闭路系统。然而在一定程度上地表水源热泵系统受到自然条件的制约。一般在公用的河流中、管道中的其他设备极易受到破坏。若是湖泊、河流水过浅，水的温度就会极易受到气候的变化而发生变化，直接制约着其效率，降低其供热或者制冷能力[1]。
三、地源热泵系统应用的技术关键点
（一）需要在严格依据本地具体情况的基础上，合理的应用于地埋管以及换热结构的施工中，一般涉及的施工工艺有参数设计、钻井、回填以及对结构的选择等。比如需要按照系统的介质流量以及流速地埋管的管径展开相应的选择。b）地埋管直接与土壤进行接触并完成最初的热交换，因此地埋管的埋入深度和管与管之间的距离十分重要。两者均直接涉及获取热量的效率和工程成本，因此必须进行必要的数据优化。
（二）在完成对地埋管埋入之后，需要应用适当的回填材料对钻孔壁、埋管中的间隙进行填充，这就需要应用良好的导热系数。
（三）一个地源热泵取暖系统一般需要较长的地埋管路，但是其衔接无法进行单一管径以及串联连接。这就需要对管路中的水力以及流速的平衡进行处理，按照从粗到细的顺序对进水端直到出水端的管径进行布置。
四、地源热泵系统的经济效益
（一）环境效益大。针对传统的供暖、空调方式而言，主要是夏季制冷、冬季供暖。其系统占地多、投资大，直接影响着环境。因为其夏季利用的空调系统主要是对CO2的排放，而CO2是重要的温室气体被作为引发全球性气候变化的关键因素。同时在大气中排放了大量废热，极易引发热岛效应，同时也伴随着令人烦躁的噪音，促使外界空间环境条件的进一步恶化。而去冬季利用的燃料是燃油、煤炭、天然气，在燃烧时会出现大量污染物，出现大量的NO2、SO2、CO2等气体，引发大气污染，严重制约着了人们的生活质量。针对地源热泵而言，其主要是利用大地的蓄热能力，冬季利用的是夏季多余的热能，夏季利用的是冬季多余的冷能，从根本上解决了空调系统引发的城市热岛效应。另一方面，其污染物排放不高，其制冷剂利用的是完全密封的，在实际使用时不会出现泄漏，降低了对臭氧层的破坏力度。最大程度上实现了绿色环保的目的[2]。
（二）运用自然资源达到高效节能。太阳能作为一种绿色能源，是取之不尽的，地表浅层被作为一个庞大的太阳能集热器，可以收集47%的太阳能，能够达到人类每年利用能量的500倍之多。在夏季地源热泵的冷源主要是地表浅层恒定的地能温度，只需要小功率的压缩机就能达到能量转换；在冬季地源热泵的热源其实就是利用该类储存在地表浅层的无限的能源。一般情况下，与风冷热泵相比，运用地源热泵技术能够节能40%，比电采暖节能超过70%，能够实现真正意义上的高效节能。
五、地埋管地源热泵技术的可行性
一般情况下，在地下200米内范围的地下岩土体中，其温度具有稳定的优点。电能就是地埋管地源热泵系统应用少数的高质量的能量，可以于冬季将土壤当作热源，在土壤中热量从土壤中提取出来，升高室内温度，便于对建筑物的供暖。同时可以在夏季将土壤当作冷源，在土壤中释放热量，减小室内温度，用于对建筑物的制冷。最大程度上应用土壤内的热能在夏季对土壤内的热量减小释放，在冬季提供所需的热量，就是在这样的循环之下，充分确保地下土壤温度处于一个平衡的状态。
六、结语
综上所述，目前，人类的经济正在逐渐的发展，人们生活水平也随之提高，住宅以及公共建筑的空调与供暖成为了社会的普遍需求。而传统意义上的供热燃煤锅炉显然难以适应时代的发展需要，需要进一步提高供暖设备以及空调设备的能源利用率，逐渐淘汰燃煤锅炉。在这样的发展背景下，地源热泵孕育而生，被作为一种在经济上与技术上均具有较大优势的空调与供热的替代方式。
参考文献：
[1]吴爱华，袁帅.地源热泵系统在高速公路房建工程中的设计应用与创新[J].工程技术：全文版，2016（9）：00001-00001.
[2]王秀明.浅谈地源热泵系统在我省高速公路附属房建设施中的应用[J].北方交通， 2009（2）：117-119.

-全文完-