水源热泵技术在暖通工程中的应用

水源热泵技术在暖通工程中的应用

王君 ,庞洪蕊

中机国际工程设计研究院有限责任公司 天津 300000

摘要:在当前能源供应趋紧、环境保护要求不断提高的形势下，人们在不断地寻求既节能又环保的新能源。热泵作为新能源的一种，能够实现把低温热能传递给高温热能的功能，能够利用自然资源和余热资源中的大量热量，有效节约民用及工业所需的一次能源使用量。本文主要就水源热泵技术在暖通工程中的应用进行了分析。

关键词：水源；热泵；暖通工程

引言

随着社会的发展，人们的生活水平不断提高。对室内环境有更高的要求，希望提高室内生活水平。供暖和制冷是建立环境法规的重要途径，也是目前居民生活中能耗最高的能源。为了达到节能减排的目的，有必要在日常工作中控制加热和制冷设备的能耗，采用多种温度控制方法来减少此类高耗能设施的参与，并将室温作为一个整体进行控制，以降低能耗。基于此背景下，各种绿色清洁能源被广泛关注。建筑行业作为能耗高地，必须重视清洁能源的开发利用，有效降低建筑物实际运行能耗。水源热泵技术作为一种利用地下水热能的新技术，与传统暖通空调技术相比具有更好的经济、节能以及环保效益，因此逐渐得到推广应用。

1水源热泵技术概述

热泵是一种能够从水源、土壤以及空气等介质中提取低品位热能，在电力做功条件下，将低品位热能转化为高品位热能的装置，其本质上属于一种热量提升装置。热泵装置的作用在于可以从自然环境中提取热量，然后传递给供热对象，其基本运行原理和制冷机类似，都是按照逆卡诺循环运行，只是二者工作温度范围不同。热泵装置在运行时，其本身需要消耗较少的能量，以提取自然环境中的热量，然后通过传热工质循环将提取的低品位热能转化为高品位热能并加以利用，相较于热泵装置的输出功而言，其消耗功仅占一小部分，因此，采用热泵供热技术可以有效节约能源，相较于传统供热方式综合效益更高。

在水源热泵技术中，“热泵”这一名词源于“水泵”，水泵技术使热量从低温物体传输至高温物体，有效提升热量。地下水源热泵系统主要可分为三大子系统，包括用户末端系统、热泵机组、水源系统。冬季地下水为“热源”，在进入热泵机组蒸发器后热量传至制冷剂，并及时回灌，而制冷剂继续将热量传至冷凝器中的低温热水，热水吸热后被重新输送至用户末端，达到供热目的。夏季地下水为“冷源”，在进入热泵机组冷凝器后将制冷剂热量带走，并及时回灌，而制冷剂继续将冷量传至蒸发器中的冷冻水，冷冻水温度降低后被重新输送至用户末端，达到供冷目标。

水源热泵的基本工作原理是通过热泵压缩机系统，在冬季消耗少量的电能提取污水当中的低品位热能，并利用热泵装置将其转化为高品位热能，然后为用户供热；在夏季则将室内热量提取出来，并利用热泵装置释放到污水中，以达到制冷效果。水源热泵按照污水是否进入热泵装置中可以分为两种形式：（1）直接利用的方式，即热泵装置在提取污水中的热量后直接送达供热对象；（2）间接利用的方式，即先利用热交换器对污水进行热交换，然后由热泵装置提取热量输送至供热对象。

2水源热泵技术的优势

与传统的暖通空调技术相比，水源热泵技术在暖通工程中的应用主要有以下优势。

（1）经济性良好。与传统暖通空调相比，地源热泵容量大，运行费用可节约18%～54%，维护费用更低，具有较好的经济性。当安装容量＞528kW，井深控制在180～240m时，经济性较好。此外，据专家初步计算，地下水源热泵技术投资增量回收期为4～10年。（2）节能性较好。由于地球表层具有蓄热、隔热效果，地下水常年温度与全年气温相比呈冬暖夏凉的特点，可带走建筑物内的热量或是输送多余的热量，且制冷能效比、制热性能系数均较高。（3）环境效益显著。地下水源热泵系统以地下水为传热介质，冬季无须使用锅炉系统，减少了废气等污染物的排放，有利于资源节约、环境保护；夏季无须使用冷却水塔，减少了噪音、霉菌污染以及水资源消耗等问题。此外，夏季水源热泵系统将建筑内的热量转移至地下，未排放至大气环境内，有利于缓解城市热岛效应。

3在暖通工程中应用水源热泵技术存在的问题

目前，水源热泵技术作为一种高效、节能的可再生能源利用技术，相关技术体系逐渐成熟，且得到了推广应用。结合相关实践情况来看，在暖通工程中应用水源热泵技术依旧存在一些问题。（1）勘查分析、设计方面的问题。地下水源热泵技术并非单纯的暖通技术，而是一种综合性技术。我国地域辽阔，各地的水文地质条件不同，对项目所在地进行详细勘查与调研十分必要，以保证地下水水源的水质、污染物含量、水温等指标均满足系统运行要求，同时也要调研地下水源周边场地条件，保证热源井的顺利布置。此外，设计人员在设计部分水源热泵系统时主要依据自身设计经验，未针对项目所在地区进行适应性分析、方案论证，以致系统实际运行指标与前期方案存在较大偏差，不能获得理想的节能效果。（2）回灌技术问题。在暖通工程中应用地下水源热泵技术，必须重视生态系统平衡问题，如果过度开采地下水，极易引发地表下沉等问题，威胁地表道路、建筑物的使用安全。因此，开采地下水应做到100%同层回灌，并根据项目实际情况合理选择回灌技术，减少地下水资源浪费。从我国水源热泵技术运用实践情况来看，悬浮物、化学沉淀、气泡堵塞以及微生物生长等问题导致地下水无法完全回灌，给系统运行带来不利影响，甚至导致地下水系统被破坏。（3）水质问题。在地下水源热泵系统中，地下水有重要的热量储存作用，如果系统规模小就不会对地下水冷热量平衡产生较大影响，如果系统规模大且存在长期冷热量转移的情况，就极易导致地下水冷热量失衡，进而导致生态系统失衡。根据地下水源热泵系统运行情况分析可得，回灌水和原始含水层存在温度差异，会造成回灌井乃至抽水井周边地下水温度的改变，即出现“热短路”现象，并进一步对地下水造成不利影响；地下水源热泵系统也会影响地下水的水质，这主要是由于地下水被抽取上来后难免与外界环境接触，水体含氧量发生变化，或是将机组微生物等带入含水层，产生地下水污染问题。（4）运行管理问题。在暖通工程中应用地下水源热泵技术，良好的运行管理十分关键。一方面相关部门需建立完善的报批、监管和验收制度，保证地下水源热泵系统建设质量达标，不会对地下水环境产生污染，或是存在资源浪费的问题；另一方面应由专业的运行管理人员负责地下水源热泵系统的维修养护工作，发挥系统应有的节能环保效益，同时及时解决系统在运行中存在的问题，提高系统运行效率，获得理想的应用效益。

4水源热泵技术在暖通工程中的应用

某项目为办公建筑提供水源热泵技术，该建筑包括1#、2#、3#、4#共计4栋建筑物，其中1#地上9层、地下1层，其余均为5层建筑。建筑总面积25000m2，空调末端设计冷负荷、热负荷分别为2438kW、1696kW。热源井设置10口，其中，抽水井、回水井数量分别为2口和7口，备用1口抽水井；潜水泵设置4台，其中，备用2台。夏季冷水供回水、冬季热水供回水温度分别为7℃/12℃、45℃/40℃，末端设置风机盘管。

此建筑水源热泵系统在运行过程中，冷冻水的供水温度主要采用人为设置的方法，即运行人员主要结合自身经验，对开机时的供水温度范围进行预测，图4为热负荷与供水温度变化示意图。在系统运行时，一般室内热负荷越高，供水温度设定的参数值就越低，供水温度的波动情况维持在3℃上下。理论上，当供水的温度设定较低时，室内温度下降更为迅速；一旦室内温度满足热舒适性条件后，依旧维持初始的供水温度，就必然造成冷量的浪费，一些末端用户甚至采取开窗的方式调节温度。根据水源热泵系统运行现状分析可知，当2台机组同时运行时，2台备用机组旁通阀处于开启状态，机组冷冻水出水与主供水温差2～3℃，循环水泵工频运行时冷冻水流量180～190m3/h；在关闭旁通阀后，则温度基本一致，冷冻水流量130～140m3/h。由此可得，开启旁通阀，冷冻水流量大，一部分冷冻水回水经过机组制冷，另一部分冷冻水回水与机组冷冻水出水汇合，进入冷冻水主供水管道；关闭旁通阀，冷冻水流量小，冷冻水回水全部经过机组制冷处理。

此水源热泵系统运行情况显示，系统还具有较大节能潜力，优化初始供水温度设定是一项重要措施，具体设定方法为：在开启机组时，供水温度的设定值应较低，并按照室内环境设置机组运行时间；在室内温度满足热舒适性条件后，提高供水温度的设定值，将室内温度稳定在一定范围内。采取此种温度设定方法，在达到系统运行目标的同时，避免了冷量浪费。为确定实际节能效果，开展了冷冻水供水温度调节实验以及旁通阀关闭实验，具体如下：①冷冻水供水温度调节实验。以供水温度+2℃、-1℃为控制区间，如果供水温度超限，就启停压缩机。在确保气象数据相近的前提下，统计不同设定温度下系统的运行电量。②旁通阀关闭实验。根据水源热泵系统运行现状分析，旁通阀的启闭会对主冷冻水的主供水温度产生影响，如果冷冻水主供水温度达到控制区间下限，就自动关闭压缩机。在确保气象数据相近的前提下，统计旁通阀启闭时系统的运行电量。经由试验数据分析可得以下结论：①优化后的系统运行，有效避免了供水温度设定值处于过低水平；②当外界气温、变化趋势基本一致时，冷冻水供水温度由11℃升至12℃，2h累计耗电量减少37.8kW·h；③旁通阀启闭影响循环水泵功耗，在35Hz频率下运行3h，关闭旁通阀，累计耗电量减少7kW·h。

结束语

综上所述，随着国内人们环保意识的增强和绿色能源的推广，水源热泵技术在暖通工程中的应用规模不断扩大，能满足取暖制冷要求。从现阶段水源热泵技术的实际运用情况来看，水源热泵技术受到诸多因素的影响，如水文地质条件、建筑类型、系统配置以及运行策略等，对此必须做好前期勘察设计、技术改进及相关运行优化工作，充分发挥水源热泵技术的节能、经济效益，有效控制其对地下水系统的影响，防止地下水被过度抽取或是出现污染情况，真正实现建筑物与周边环境的和谐共处。

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