地源熱泵作為熱泵技術(shù)應用的一個(gè)新的分支，由于其節能和優(yōu)越的環(huán)保性能，近年來(lái)正在得到廣泛的應用。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)的一種工程應用;在冬季供熱時(shí)，熱泵系統通過(guò)預埋在地下的管道將儲存在地下的熱通過(guò)傳熱介質(zhì)吸收，作為逆循環(huán)中的低溫熱源，由熱泵完成逆循環(huán)并向熱用戶(hù)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)使制冷系統中的冷凝溫度降低，從而提高系統的制冷系數，與冷凝器直接與空氣環(huán)境進(jìn)行熱交換的普通空調器制冷相比，有一定的節能效果。由于地源熱泵系統在運行工作過(guò)程中除驅動(dòng)熱泵的動(dòng)力外，無(wú)需其他熱源或動(dòng)力，而驅動(dòng)熱泵的動(dòng)力主要是電能。因此，如不考慮電能的來(lái)源，地源熱泵系統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(lái)的城市環(huán)境污染問(wèn)題，可以實(shí)現冷熱聯(lián)供。此外，在實(shí)際使用中，對于一些受客觀(guān)條件限制而無(wú)法采用其他供熱、供冷方式的場(chǎng)所，如高速公路收費站、人員設備相對較少的科考站、邊防哨所，地源熱泵則更體現出其特有的優(yōu)越性;基于以上特點(diǎn)，本文對津港高速公路收費站地源熱泵系統的設計及實(shí)際運行效果進(jìn)行了系統分析。

　　一、地源熱泵系統負荷計算

　　1.1　熱泵系統負荷計算

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

　　根據天津氣候條件及收費站建筑物的土建圍護結構，本設計采用了ASHRAE推薦提供的CLF冷負荷系數法計算收費站建筑負荷;地源熱泵系統在制冷工況時(shí)，蒸發(fā)器溫度為7～12℃，冷凝器溫度為30～35℃，室內溫度25℃。其中收費站綜合樓和附屬用房的供冷負荷為120W/m2，收費亭供冷負荷為220W/m2。據此，津港收費站供冷z*大負荷合計為113 KW，津港收費站埋地換熱器放熱z*大負荷合計為146 KW。

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

　　1.2　室內末端系統設計

　　津港收費站需要供熱、制冷的房間位置相對比較集中，功能比較單一。根據津港收費站現場(chǎng)的實(shí)際情況，地源熱泵系統為集中空調系統，附屬用房單獨設計熱泵機房，室內末端系統設計采用風(fēng)機盤(pán)管系統，以達到每個(gè)房間要求的空調溫度。

　　1.3　室外埋管系統設計

　　根據該建筑的實(shí)際情況設計地源熱泵系統應以達到夏季制冷、冬季供熱的要求，津港高速公路收費站地源熱泵系統的室外埋管系統采用垂直U型埋管方式。根據埋地換熱器放熱z*大負荷計算，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，收費站的實(shí)際占地面積完全可以滿(mǎn)足施工要求。此外，在埋管場(chǎng)地上還可建停車(chē)場(chǎng)、裝飾或植樹(shù)綠化等設施;對地面實(shí)際有效使用面積并無(wú)影響。地源熱泵系統工作簡(jiǎn)圖如圖1所示，冬季供熱和夏季供冷時(shí)，地源熱泵系統通過(guò)控制四通閥可以實(shí)現冬、夏兩季不同工況的轉換。

　　二、津港收費站地源熱泵空調系統運行費用

　　夏季空調運行100天，每天24小時(shí)運行。冬季空調運行120天，每天24小時(shí)運行。室內空調循環(huán)水泵功率為3 KW，室外空調循環(huán)水泵3KW，熱泵機組兩臺，單臺機組電功率13.3KW，運行系數0.49，根據有關(guān)實(shí)際運行情況及室內外參數情況，對系統在冬、夏兩季的耗電量和運行費用進(jìn)行了分析計算，結果如表1所示。

　　電價(jià)計算時(shí)按峰、谷、平計算，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

　　根據現場(chǎng)實(shí)測數據，地源熱泵系統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荷條件下，如采用普通的空調器進(jìn)行冬季供熱和夏季制冷，其中在供熱工況時(shí)，普通空調器的性能系數為2.2，而在制冷工況時(shí)，制冷系數為2.9，在此條件下，運行費用為：冬季供熱：71057元，夏季制冷55175元;全年共計126232元。與此相比，地源熱泵可節約費用約63%。

　　三、 結　論

　　通過(guò)對津晉津高速公路津港收費站地源熱泵系統的分析，本文得出以下結論：

　　1.由于采用了地下埋管換熱器，使地源熱泵系統在冬季供熱時(shí)的COP值增加，本文實(shí)測可達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的蒸發(fā)溫度提高，導致系統的COP值增加。

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

　　3.與以空氣作為熱源的普通空調器相比，在滿(mǎn)足相同的冷、熱負荷條件下，地源熱泵系統可節省運行費用65%左右。

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