水源熱泵技術(shù)在居住小區(qū)應(yīng)用的實(shí)例研究

張 強(qiáng) 田海寧 李 根 雍 鵬 劉粟伊

(陜西理工學(xué)院土建學(xué)院)

水源熱泵技術(shù)在居住小區(qū)應(yīng)用的實(shí)例研究

張 強(qiáng) 田海寧 李 根 雍 鵬 劉粟伊

(陜西理工學(xué)院土建學(xué)院)

引言

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心，節(jié)能和環(huán)保已成為建筑發(fā)展的首要研究問題，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徑。我國(guó)冬冷夏熱地區(qū)夏季需要制冷，冬季需要供熱，目前，這些地區(qū)所用的采暖降溫設(shè)備多為分散在終端用戶的電暖器和空調(diào)器，耗電量相當(dāng)大，有必要尋找既節(jié)能環(huán)保又較為經(jīng)濟(jì)的空調(diào)方式對(duì)冬冷夏熱地區(qū)進(jìn)行供冷供熱。地下水源熱采能技術(shù)是一種新興的地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)利用方式，20世紀(jì)70年代在歐美等國(guó)家興起，90年代在歐美等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。水源熱泵是以水為熱源的可進(jìn)行制冷。制熱循環(huán)的一種熱泵型整體式空氣空調(diào)裝置。水的質(zhì)量熱容大，傳熱性能好，所以在能夠獲得大量的水，而且其溫度穩(wěn)定的地區(qū)，水是一種理想的空調(diào)冷熱源。如地下水以及江河湖海的地表水在一年內(nèi)溫度變化較小，都是可作為冷熱源的水源，水源熱泵供暖空調(diào)一體化，替代了傳統(tǒng)的鍋爐加空調(diào)兩套裝置系統(tǒng)，節(jié)省初投資及占地和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)既需要供暖又需要空調(diào)的場(chǎng)所，通過綜合的經(jīng)濟(jì)性分析比較，認(rèn)為水源熱泵在目前能源價(jià)格下有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性。

迄今為止，制約地表水源熱泵應(yīng)用的障礙主要是初投資較高，以及政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾對(duì)這一技術(shù)缺乏了解。本文將以漢中地區(qū)金色藍(lán)鎮(zhèn)項(xiàng)目實(shí)際工程為例，結(jié)合陜南地區(qū)氣候條件，水資源狀況，建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)漢中地區(qū)水源熱泵與建筑一體化進(jìn)行可行性分析，以期響應(yīng)國(guó)家十二五規(guī)劃，對(duì)陜南地區(qū)建筑節(jié)能與水源熱泵應(yīng)用與建筑，產(chǎn)生一定的影響，是該技術(shù)在陜南地區(qū)得以推廣使用。

1.水源熱泵在陜南地區(qū)應(yīng)用的可行性分析:

1.1 漢中地區(qū)氣候、水資源條件：

北界秦嶺山脈，南界大巴山，總面積27,246km2。其間由漢江沖積形成人稱“西北小江南”的漢中盆地。屬?zèng)鰜啛釒夂?。漢中市位于漢水上游，漢中盆地中部，東經(jīng)106°51—107°10、北緯33°2—33°22之間。地形特點(diǎn)南低北高，市內(nèi)有平壩、丘陵和山地等三種地貌，平壩為漢江沖積平原的一二階梯，海拔500—600米之間，地勢(shì)平坦，土壤肥沃，占全市面積的34.62%；丘陵為山前洪積扇形成的寬谷淺丘地帶，海拔601—800米之間，地勢(shì)起伏較大，約占全市面積的28.1%；山區(qū)是秦嶺南坡形成的淺山和中山地區(qū)，地勢(shì)較為復(fù)雜，土壤貧瘠，海拔在701—2038米之間，約占全市總面積的37.2%。

漢中盆地南北長(zhǎng)約37公里，東西寬約23公里，占漢中地區(qū)總面積的1.9%，可耕地303200畝，其中以水田為主。漢中屬于亞熱帶氣候區(qū)，北有秦嶺屏障，寒流不易侵入，氣候溫和濕潤(rùn)。

1.2 河流及水文

本區(qū)域的河流均屬長(zhǎng)江流域，漢江東西橫貫，嘉陵江南北縱穿，米倉(cāng)山南坡有渠江上游河源區(qū)的部分河流。同時(shí)河流密布，每平方公里平均河流長(zhǎng)度為1.4-2公里。漢中地區(qū)屬陜南地區(qū)，以國(guó)家政策，不屬于集中供暖地區(qū)，但漢中地區(qū)冬季較寒冷，夏季叫炎熱，目前用戶絕大部分采用空調(diào)，燃?xì)獗趻鞝t，等方式進(jìn)行型無污染能源，應(yīng)用于建筑既能節(jié)約能源，有能更好的利用地?zé)崮茉础?/p>

2.漢中地區(qū)水源熱泵應(yīng)用實(shí)例：

2.1水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)：

本次案例以重點(diǎn)探索適宜陜南地區(qū)可再生能源，提高該地區(qū)能源結(jié)構(gòu)中的可再生能源比例為目的，以水源熱泵系統(tǒng)為主要實(shí)現(xiàn)手段。

2.1.1 水源熱泵是以消耗一定的電能為代價(jià)來回收低品位熱量，是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（也成地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)裝置。

2.1.2 水源熱泵的特點(diǎn)：

a.節(jié)水省地：以土壤為載體，向其放出熱或吸收熱量，不消耗水資源，省去鍋爐房及儲(chǔ)油房等配套設(shè)施，機(jī)房面積小。

b.靈活安全：可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供熱、制冷不同功能要求，可設(shè)計(jì)成滿足提供衛(wèi)生熱水的功能要求、機(jī)組可靈活安置在任何地方，無鍋爐、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患。

c.維護(hù)簡(jiǎn)單：操作簡(jiǎn)單，易于管理，故障率少。維護(hù)工作方便簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。

d.運(yùn)行費(fèi)用低：與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50%～60%。

2.2 水源熱泵的原理：

2.1 圖為熱泵機(jī)組制熱和制冷原理圖夏季在冷凝器一側(cè)，設(shè)備與深井低溫水換熱后將冷水送入冷凝器，從進(jìn)水口1進(jìn)入，與高溫高壓的氟里昂進(jìn)行熱交換，降低氟里昂的溫度，溫度升高的水從冷凝器出水口1回灌至地下，完成一次冷卻循環(huán)。蒸發(fā)器一側(cè)，用戶端循環(huán)水進(jìn)入蒸發(fā)器，從進(jìn)水口2進(jìn)入，蒸發(fā)器中氟里昂吸熱，使循環(huán)水溫度降低（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一般降至7℃），冷凍水經(jīng)過水泵送至用戶端，達(dá)到制冷的效果。

2.1 圖為熱泵機(jī)組制熱和制冷原理圖

冬季冷凝器一側(cè)，通過外管路切換，用戶端循環(huán)水進(jìn)入冷凝器，從進(jìn)水口1進(jìn)入，與高溫高壓的氟里昂進(jìn)行熱交換，降低氟里昂的溫度，得到熱量后用戶端管路水溫度升高（一般在40-60℃之間）再經(jīng)過水泵送至用戶端，給建筑物供暖。蒸發(fā)器一側(cè)，與深井低溫水換熱后的冷水進(jìn)入蒸發(fā)器，從進(jìn)水口2進(jìn)入，氟里昂蒸發(fā)帶走水中的熱量，使井水溫度降低（一般可以降至7℃），然后從出水口2回灌至地下，完成一次取熱循環(huán)。

通過以上的論述可見，水源熱泵系統(tǒng)利用的是“冬暖夏涼”的地?zé)豳Y源，具有穩(wěn)定性好，一機(jī)兩用且沒有冷卻塔，換熱部分為不占用寶貴的土地資源，沒有廢氣排放，機(jī)房無需專屬空間等優(yōu)點(diǎn)。而且，我國(guó)十二五規(guī)劃中明確提出在建筑中要積極發(fā)展水源熱泵系統(tǒng)，鼓勵(lì)在適宜的地區(qū)優(yōu)先采用水源熱泵供暖，并在政策上給予傾斜，這使得地源熱泵的實(shí)踐推廣具有更加廣闊的前景。

3.水源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際的案例分析。

3.1 項(xiàng)目概況

金色藍(lán)鎮(zhèn)項(xiàng)目位于陜西漢中市南鄭縣，是漢中世居地產(chǎn)投資有限公司投資建設(shè)，總建筑面積為344,248.22平方米，其中：總住宅面積約246,508.88平方米，地下室面積約65,508.34平方米，商業(yè)用房面積約2,9631.00平方米;其它配套面積約2,600.00平方米，共計(jì)2500戶，是南鄭縣最大的商業(yè)住宅小區(qū)之一。因南鄭縣水資源非常豐富，且漢中地區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，所以本項(xiàng)目采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是最佳選擇。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

3.3水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)需要解決冬季采暖、夏季制冷的需求，遵循原則:環(huán)保、初投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理方便。

本設(shè)計(jì)方案采用美國(guó)麥克維爾水源熱泵技術(shù)（水源熱泵機(jī)組國(guó)標(biāo)負(fù)責(zé)起草單GB/T19409-2003），開采地下含水層內(nèi)品位較低的地下水，冬季為水源熱泵機(jī)組提供低溫?zé)嵩?，再利用?水熱泵技術(shù)，將現(xiàn)地下水低位能量轉(zhuǎn)化為高位能量，供給空調(diào)末端設(shè)備使用。夏季為水源熱泵機(jī)組提供冷卻水源，冷卻水源熱泵冷凝端，而水源熱泵機(jī)組向空調(diào)末端提供冷量，進(jìn)行制冷。若不考慮夏季制冷，冬季時(shí)，水源熱泵機(jī)組可以為地輻熱提供熱水來滿足冬季采暖的需求。

3.4 方案概述：

根據(jù)國(guó)家節(jié)能建筑采暖標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)資料，若選擇每平方米55瓦的制熱量，使用空調(diào)采暖面積約為300,000.00平方米，本項(xiàng)目采暖需求制熱量為16500.00kw，衛(wèi)生熱水需求制冷量為4972.06kw；本項(xiàng)目計(jì)劃分4期開發(fā).空調(diào)機(jī)組選用美國(guó)麥克維爾（McQuay）3臺(tái)WPS360.2B單螺桿式水源熱泵機(jī)組作為夏季供冷和冬季供暖的機(jī)組，能量調(diào)節(jié)范圍及方式：12.5%—100%無級(jí)調(diào)節(jié)。夏季機(jī)組運(yùn)行，通過循環(huán)水

泵加管道供應(yīng) 7℃的冷水到空調(diào)末端設(shè)備制冷，機(jī)組單臺(tái)供冷能力為1335.5kW；制冷耗電量為：225.4KW，夏季能效比COP值（制冷量/耗電量）為：5.92；冬季制熱能力為1451.7KW，制熱耗電量為：313.4KW，冬季能效比COP值（制熱量/耗電量）為：4.63；機(jī)組冬季可提供40℃—45℃的熱水供空調(diào)末端設(shè)備采暖。3臺(tái)機(jī)組總制熱量4355.1kw＞4125.0kw，滿足需求。1臺(tái)WPS325.2B單螺桿式水源熱泵機(jī)組作為全年衛(wèi)生熱水供應(yīng)的機(jī)組，能量調(diào)節(jié)范圍及方式：12.5%—100 %無級(jí)調(diào)節(jié)。機(jī)組制熱能力為1322.3KW，制熱耗電量為：287.0KW，能效比COP值（制熱量/耗電量）為：4.60；

該方案水源熱泵機(jī)組夏季、冬季最大所需15℃的地下水水量為：

單臺(tái)空調(diào)機(jī)組所需地下水水量：122.4m3/h，總需求地下水水量：367.2m3/h；衛(wèi)生熱水機(jī)組所需地下水水量：111.6m3/h；

基站機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，所需地下水水量為478.8m3/h。

3.5 系統(tǒng)配置：

設(shè)備選擇主要以麥克維爾公司在工程中應(yīng)用較成熟的WPS系列水源熱泵機(jī)組為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮價(jià)格因素，配置以合理的系統(tǒng)。

螺桿式水源熱泵機(jī)組 4臺(tái),選用麥克維爾水源熱泵機(jī)組型號(hào)：WPS180.1B，其性能參數(shù)如下：

機(jī)組學(xué)號(hào) 工況 能量輸出（kW）循環(huán)水溫度(℃)井水溫度(℃)循環(huán)水流量(m3/h)井水流量(m3/h)耗電量(kW)制冷 1335.5 12.0/7.0 18.0/29.0 230.04 122.04 225.4 WPS360.2B 制熱 1451.7 40.0/45.0 15.0/7.0 250.20 122.4 313.4 WPS325.2B熱水 1322.3 40.0/45.0 15.0/7.0 227.88 111.6 287.0

4 .水源熱泵與常規(guī)采暖方式的對(duì)比：

A、與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用。因此水源熱泵要比電鍋爐采暖節(jié)省2/以上的電能，比燃油鍋爐節(jié)省1/2以上的能量；

B、與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)相比，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)能效比較低，在制冷時(shí)基本上在 3.左右，制熱時(shí)機(jī)組的效率衰減的比較厲害，尤其在0℃以下，機(jī)組效率大幅度衰減，從而增加機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用；

C、而水（地）源熱泵系統(tǒng)因?yàn)闊?、源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為 15℃，其制熱系統(tǒng)可達(dá)4，制冷系統(tǒng)可達(dá)5.3，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)

在本工程中采用水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，達(dá)到一機(jī)三用的效果,避免了采用燃?xì)狻⑷加退鶐淼呢?fù)面影響,如:消防、管道泄漏等問題；天燃?xì)鈨r(jià)上漲、收取環(huán)境保護(hù)費(fèi)的遠(yuǎn)慮；不會(huì)受到城市管網(wǎng)的限制；滿足了國(guó)家節(jié)能環(huán)保的理念。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)和步伐加快，人民生活水平的提高，在類似于以漢中為代表的陜南大部分冬冷夏熱地區(qū)，制冷供熱和生活用熱水成了生活的必須，普通的供暖制冷設(shè)施不僅浪費(fèi)大量的能源，而且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染。例如近期的各省的PM2.5的數(shù)值一直比較高。因此，尋找新的替代能源成為了節(jié)能工作的關(guān)鍵點(diǎn)，也是響應(yīng)國(guó)家節(jié)約能源和綠色建筑的號(hào)召。國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于發(fā)展改革委住房城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色建筑行動(dòng)方案國(guó)辦發(fā)〔2013〕1號(hào)的通知中明確指出充分認(rèn)識(shí)開展綠色建筑行動(dòng)的重要意義，開展綠色建筑行動(dòng)，以綠色、循環(huán)、低碳理念指導(dǎo)城鄉(xiāng)建設(shè)，嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，扎實(shí)推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造，同時(shí)又要提高建筑的安全性、舒適性和健康性，加快實(shí)施“節(jié)能暖房”工程。積極推動(dòng)公共建筑節(jié)能改造。開展夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能改造試點(diǎn)推進(jìn)可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用。本案例中探索水源熱泵新型空調(diào)技術(shù)不但有效利用了低品位的淺層地能，減少使用高品位的二次能源，而且在創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可大大減少溫室效應(yīng)氣體和污染物排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)，符合國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展需求。因此水源熱泵技術(shù)應(yīng)在陜南地區(qū)乃至西南地區(qū)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義和廣闊的發(fā)展前景。

⑴金色藍(lán)鎮(zhèn)項(xiàng)目水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

⑵《陜西建筑節(jié)能設(shè)計(jì)導(dǎo)則》

⑶《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-93

⑷丁勇；李百戰(zhàn)；單金龍.重慶地區(qū)地表水用于水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的分析（會(huì)議論文）2008

⑸劉婷婷；彭建國(guó)，張國(guó)強(qiáng)，陳曉湖.湖水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在湖南省的應(yīng)用實(shí)例分析.建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2004.06

G322

B

1007-6344（2015）09-0093-02

漢中市科技局項(xiàng)目2013FZ09，基于地源熱泵和太陽(yáng)能高效光熱轉(zhuǎn)換材料的建筑節(jié)能新技術(shù)研究