水源热泵技术在暖通工程中的应用

单 卓

（创元建工集团有限公司,湖南 长沙 410000）

能源是社会与经济发展的重要支柱，进入现代社会，人类对能源的实际需求呈持续增长的态势[1]。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[2-3]。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 水源热泵技术的提出

2021年世界能源统计年鉴显示：2020年，美、印、俄的能源消费量下降，而中国的能源消费量增幅显著，同比增长达2.1%[4]。从我国能源结构来看，依旧以化石燃料为主（煤炭、石油等），但是基于我国在能源结构优化方面的不断努力，清洁能源生产规模快速增加，如，2020年规模以上工业水电、核电、风电、太阳能发电等在全部发电量中的占比达到了28.8%，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量的占比也提高了1.1%。

在这种情形下，地热能开始进入人们的视线，成为暖通工程的重要清洁能源，而《地热能开发利用“十三五”规划》的发布更是奠定了地热能的重要地位[5]。从国内勘查开发成果来看，浅层地热能资源分布广泛，336个地级以上城市的可开采量折合标准煤7亿t。总体来看，我国地热资源丰富，如何有效利用地热资源十分关键，文中主要以水源热泵技术为研究对象展开详细分析，此技术主要是利用被熔岩加热的地下水为地上建筑供冷或是供热[6]。水源热泵技术拥有诸多优点，包括效率高、绿色环保、节约能源等。

2 水源热泵技术原理及其应用面临的问题

2.1 水源热泵技术原理

在水源热泵技术中，“热泵”这一名词源于“水泵”，参考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[7-8]。

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。如图1所示，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。如图2所示，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。

图1 地下水源热泵冬季供暖模式

图2 地下水源热泵夏季供暖模式

2.2 水源热泵技术应用优势及面临的问题

2.2.1 应用优势

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＞528 kW，井深控制在180～240 m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[9]。

（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[10]。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。

2.2.2 面临的一些问题

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[11]。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[12]。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[13]。

（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[14]。

（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。

3 实例探析水源热泵技术在暖通工程中的应用

3.1 项目概况

本项目为某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25 000 m2，空调末端设计冷负荷、热负荷分别为2 438 kW、1 696 kW，具体机组配置与运行控制方法如表1所示。

表1 机组配置与运行控制方法

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。系统运行原理如图3所示。

图3 系统运行原理示意图

3.2 水源热泵系统运行现状

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。

图4 热负荷与供水温度变化示意图

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180～190 m3/h；在关闭旁通阀后，则温度基本一致，冷冻水流量130～140 m3/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。

3.3 系统节能优化策略

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 ℃，2 h累计耗电量减少37.8 kW·h；③旁通阀启闭影响循环水泵功耗，在35 Hz频率下运行3 h，关闭旁通阀，累计耗电量减少7 kW·h。

4 结语

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。