张 强 田海宁 李 根 雍 鹏 刘粟伊

(陕西理工学院土建学院)

水源热泵技术在居住小区应用的实例研究

张 强 田海宁 李 根 雍 鹏 刘粟伊

(陕西理工学院土建学院)

引言

随着可持续发展观念深入人心，节能和环保已成为建筑发展的首要研究问题，而利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径。我国冬冷夏热地区夏季需要制冷，冬季需要供热，目前，这些地区所用的采暖降温设备多为分散在终端用户的电暖器和空调器，耗电量相当大，有必要寻找既节能环保又较为经济的空调方式对冬冷夏热地区进行供冷供热。地下水源热采能技术是一种新兴的地热能可持续开发利用方式，20世纪70年代在欧美等国家兴起，90年代在欧美等国家得到广泛应用。水源热泵是以水为热源的可进行制冷。制热循环的一种热泵型整体式空气空调装置。水的质量热容大，传热性能好，所以在能够获得大量的水，而且其温度稳定的地区，水是一种理想的空调冷热源。如地下水以及江河湖海的地表水在一年内温度变化较小，都是可作为冷热源的水源，水源热泵供暖空调一体化，替代了传统的锅炉加空调两套装置系统，节省初投资及占地和运行费用，对既需要供暖又需要空调的场所，通过综合的经济性分析比较，认为水源热泵在目前能源价格下有较强的经济竞争性。

迄今为止，制约地表水源热泵应用的障碍主要是初投资较高，以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。本文将以汉中地区金色蓝镇项目实际工程为例，结合陕南地区气候条件，水资源状况，建筑设计特点，对汉中地区水源热泵与建筑一体化进行可行性分析，以期响应国家十二五规划，对陕南地区建筑节能与水源热泵应用与建筑，产生一定的影响，是该技术在陕南地区得以推广使用。

1.水源热泵在陕南地区应用的可行性分析:

1.1 汉中地区气候、水资源条件：

北界秦岭山脉，南界大巴山，总面积27,246km²。其间由汉江冲积形成人称“西北小江南”的汉中盆地。属凉亚热带气候。汉中市位于汉水上游，汉中盆地中部，东经106°51—107°10、北纬33°2—33°22之间。地形特点南低北高，市内有平坝、丘陵和山地等三种地貌，平坝为汉江冲积平原的一二阶梯，海拔500—600米之间，地势平坦，土壤肥沃，占全市面积的34.62%；丘陵为山前洪积扇形成的宽谷浅丘地带，海拔601—800米之间，地势起伏较大，约占全市面积的28.1%；山区是秦岭南坡形成的浅山和中山地区，地势较为复杂，土壤贫瘠，海拔在701—2038米之间，约占全市总面积的37.2%。

汉中盆地南北长约37公里，东西宽约23公里，占汉中地区总面积的1.9%，可耕地303200亩，其中以水田为主。汉中属于亚热带气候区，北有秦岭屏障，寒流不易侵入，气候温和湿润。

1.2 河流及水文

本区域的河流均属长江流域，汉江东西横贯，嘉陵江南北纵穿，米仓山南坡有渠江上游河源区的部分河流。同时河流密布，每平方公里平均河流长度为1.4-2公里。汉中地区属陕南地区，以国家政策，不属于集中供暖地区，但汉中地区冬季较寒冷，夏季叫炎热，目前用户绝大部分采用空调，燃气壁挂炉，等方式进行型无污染能源，应用于建筑既能节约能源，有能更好的利用地热能源。

2.汉中地区水源热泵应用实例：

2.1水源热泵系统的特点：

本次案例以重点探索适宜陕南地区可再生能源，提高该地区能源结构中的可再生能源比例为目的，以水源热泵系统为主要实现手段。

2.1.1 水源热泵是以消耗一定的电能为代价来回收低品位热量，是一种利用地下浅层地热资源（也成地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供热又可制冷的高效节能空调装置。

2.1.2 水源热泵的特点：

a.节水省地：以土壤为载体，向其放出热或吸收热量，不消耗水资源，省去锅炉房及储油房等配套设施，机房面积小。

b.灵活安全：可同时实现供热、制冷不同功能要求，可设计成满足提供卫生热水的功能要求、机组可灵活安置在任何地方，无锅炉、储油罐等卫生及安全隐患。

c.维护简单：操作简单，易于管理，故障率少。维护工作方便简单，维护费用低。

d.运行费用低：与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。

2.2 水源热泵的原理：

2.1 图为热泵机组制热和制冷原理图夏季在冷凝器一侧，设备与深井低温水换热后将冷水送入冷凝器，从进水口1进入，与高温高压的氟里昂进行热交换，降低氟里昂的温度，温度升高的水从冷凝器出水口1回灌至地下，完成一次冷却循环。蒸发器一侧，用户端循环水进入蒸发器，从进水口2进入，蒸发器中氟里昂吸热，使循环水温度降低（按国家标准一般降至7℃），冷冻水经过水泵送至用户端，达到制冷的效果。

2.1 图为热泵机组制热和制冷原理图

冬季冷凝器一侧，通过外管路切换，用户端循环水进入冷凝器，从进水口1进入，与高温高压的氟里昂进行热交换，降低氟里昂的温度，得到热量后用户端管路水温度升高（一般在40-60℃之间）再经过水泵送至用户端，给建筑物供暖。蒸发器一侧，与深井低温水换热后的冷水进入蒸发器，从进水口2进入，氟里昂蒸发带走水中的热量，使井水温度降低（一般可以降至7℃），然后从出水口2回灌至地下，完成一次取热循环。

通过以上的论述可见，水源热泵系统利用的是“冬暖夏凉”的地热资源，具有稳定性好，一机两用且没有冷却塔，换热部分为不占用宝贵的土地资源，没有废气排放，机房无需专属空间等优点。而且，我国十二五规划中明确提出在建筑中要积极发展水源热泵系统，鼓励在适宜的地区优先采用水源热泵供暖，并在政策上给予倾斜，这使得地源热泵的实践推广具有更加广阔的前景。

3.水源热泵系统在实际的案例分析。

3.1 项目概况

金色蓝镇项目位于陕西汉中市南郑县，是汉中世居地产投资有限公司投资建设，总建筑面积为344,248.22平方米，其中：总住宅面积约246,508.88平方米，地下室面积约65,508.34平方米，商业用房面积约2,9631.00平方米;其它配套面积约2,600.00平方米，共计2500户，是南郑县最大的商业住宅小区之一。因南郑县水资源非常丰富，且汉中地区水源热泵空调系统发展较为成熟，所以本项目采用水源热泵空调系统是最佳选择。

3.2 设计参数分析

3.3水源热泵空调系统设计

空调系统需要解决冬季采暖、夏季制冷的需求，遵循原则:环保、初投资少、运行费用低、维护管理方便。

本设计方案采用美国麦克维尔水源热泵技术（水源热泵机组国标负责起草单GB/T19409-2003），开采地下含水层内品位较低的地下水，冬季为水源热泵机组提供低温热源，再利用水-水热泵技术，将现地下水低位能量转化为高位能量，供给空调末端设备使用。夏季为水源热泵机组提供冷却水源，冷却水源热泵冷凝端，而水源热泵机组向空调末端提供冷量，进行制冷。若不考虑夏季制冷，冬季时，水源热泵机组可以为地辐热提供热水来满足冬季采暖的需求。

3.4 方案概述：

根据国家节能建筑采暖标准等相关资料，若选择每平方米55瓦的制热量，使用空调采暖面积约为300,000.00平方米，本项目采暖需求制热量为16500.00kw，卫生热水需求制冷量为4972.06kw；本项目计划分4期开发.空调机组选用美国麦克维尔（McQuay）3台WPS360.2B单螺杆式水源热泵机组作为夏季供冷和冬季供暖的机组，能量调节范围及方式：12.5%—100%无级调节。夏季机组运行，通过循环水

泵加管道供应 7℃的冷水到空调末端设备制冷，机组单台供冷能力为1335.5kW；制冷耗电量为：225.4KW，夏季能效比COP值（制冷量/耗电量）为：5.92；冬季制热能力为1451.7KW，制热耗电量为：313.4KW，冬季能效比COP值（制热量/耗电量）为：4.63；机组冬季可提供40℃—45℃的热水供空调末端设备采暖。3台机组总制热量4355.1kw＞4125.0kw，满足需求。1台WPS325.2B单螺杆式水源热泵机组作为全年卫生热水供应的机组，能量调节范围及方式：12.5%—100 %无级调节。机组制热能力为1322.3KW，制热耗电量为：287.0KW，能效比COP值（制热量/耗电量）为：4.60；

该方案水源热泵机组夏季、冬季最大所需15℃的地下水水量为：

单台空调机组所需地下水水量：122.4m3/h，总需求地下水水量：367.2m3/h；卫生热水机组所需地下水水量：111.6m3/h；

基站机组在满负荷运行状态下，所需地下水水量为478.8m3/h。

3.5 系统配置：

设备选择主要以麦克维尔公司在工程中应用较成熟的WPS系列水源热泵机组为标准，同时考虑价格因素，配置以合理的系统。

螺杆式水源热泵机组 4台,选用麦克维尔水源热泵机组型号：WPS180.1B，其性能参数如下：

机组学号 工况 能量输出（kW）循环水温度(℃)井水温度(℃)循环水流量(m3/h)井水流量(m3/h)耗电量(kW)制冷 1335.5 12.0/7.0 18.0/29.0 230.04 122.04 225.4 WPS360.2B 制热 1451.7 40.0/45.0 15.0/7.0 250.20 122.4 313.4 WPS325.2B热水 1322.3 40.0/45.0 15.0/7.0 227.88 111.6 287.0

4 .水源热泵与常规采暖方式的对比：

A、与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料能转化为热量，供用户使用。因此水源热泵要比电锅炉采暖节省2/以上的电能，比燃油锅炉节省1/2以上的能量；

B、与风冷热泵系统相比，风冷热泵系统能效比较低，在制冷时基本上在 3.左右，制热时机组的效率衰减的比较厉害，尤其在0℃以下，机组效率大幅度衰减，从而增加机组的运行费用；

C、而水（地）源热泵系统因为热、源温度全年较为稳定，一般为 15℃，其制热系统可达4，制冷系统可达5.3，所以我们将其称为节能型空调系统

在本工程中采用水源热泵中央空调系统，达到一机三用的效果,避免了采用燃气、燃油所带来的负面影响,如:消防、管道泄漏等问题；天燃气价上涨、收取环境保护费的远虑；不会受到城市管网的限制；满足了国家节能环保的理念。

随着我国城镇化的不断推进和步伐加快，人民生活水平的提高，在类似于以汉中为代表的陕南大部分冬冷夏热地区，制冷供热和生活用热水成了生活的必须，普通的供暖制冷设施不仅浪费大量的能源，而且对环境产生巨大的污染。例如近期的各省的PM2.5的数值一直比较高。因此，寻找新的替代能源成为了节能工作的关键点，也是响应国家节约能源和绿色建筑的号召。国务院办公厅关于发展改革委住房城乡建设部绿色建筑行动方案国办发〔2013〕1号的通知中明确指出充分认识开展绿色建筑行动的重要意义，开展绿色建筑行动，以绿色、循环、低碳理念指导城乡建设，严格执行建筑节能强制性标准，扎实推进既有建筑节能改造，同时又要提高建筑的安全性、舒适性和健康性，加快实施“节能暖房”工程。积极推动公共建筑节能改造。开展夏热冬冷和夏热冬暖地区居住建筑节能改造试点推进可再生能源建筑规模化应用。本案例中探索水源热泵新型空调技术不但有效利用了低品位的浅层地能，减少使用高品位的二次能源，而且在创造良好经济效益的同时，可大大减少温室效应气体和污染物排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术，符合国家和社会的发展需求。因此水源热泵技术应在陕南地区乃至西南地区具有很强的实际意义和广阔的发展前景。

⑴金色蓝镇项目水源热泵空调系统

⑵《陕西建筑节能设计导则》

⑶《民用建筑热工设计规范》GB50176-93

⑷丁勇；李百战；单金龙.重庆地区地表水用于水源热泵空调系统的分析（会议论文）2008

⑸刘婷婷；彭建国，张国强，陈晓湖.湖水水源热泵空调系统在湖南省的应用实例分析.建筑热能通风空调.2004.06

G322

B

1007-6344（2015）09-0093-02

汉中市科技局项目2013FZ09，基于地源热泵和太阳能高效光热转换材料的建筑节能新技术研究