住宅建筑熱泵的熱源選擇

彭 麗，胡林龍

（1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000；2.四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610000）

1 引言

以目前的城鎮化速度，預計到2020年［1］，全國總建筑面積將達到700億m2，建筑能耗作為滿足建筑功能和建筑舒適性服務所必需的能耗，目前在我國總能耗中已占到19%～20%，但仍然低于發達國家30%～40%的平均水平，因此我國建筑能耗對能耗總量的相對值和建筑能耗的絕對值都面臨持續增長的壓力。根據歐美的統計數據［2］，每套住宅建筑面積為109m2，平均能耗折標準煤，其中采暖空調占65%，供熱水占15%，照明、電視占14%，烹飪、洗衣占6%，按此計算，住宅建筑采暖空調年耗能折標準煤23.8kg／m2，可見采暖空調的節能是住宅建筑節能的其中一個突破口。

我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭，礦物燃料燃燒產生的大量污染物，造成了環境的污染。因此，急需發展其他的替代供熱方式，熱泵是有效節省能源、減少大氣污染的供熱和空調新技術。熱泵能夠充分利用可再生能源。熱泵利用的低溫熱源通常來自環境（大氣、地表水、地下水和大地）或各種廢熱，由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬于可再生的能源。

不同的熱源，其供熱特點、使用要求、需要設備類型、土建工程量、后期維護等均有較大不同，應根據所處位置、氣候、地址條件和住宅建筑的暖通空調使用特點進行選擇。

2 住宅建筑熱泵的特點

住宅建筑的暖通空調耗能特點主要包括住宅建筑在空間分布上是大分散，小集中，在耗能時間段分布上是相對集中的。小區與小區之間有一定的間距，較為分散，小區內建筑之間則相對集中，空間距離小。由于氣候原因，同一地區在采暖和制冷的時間段上是相對統一的；相比較大面積的工業使用和共用建筑而言，住宅建筑單套面積和空間較小，易于達到設定溫度。根據研究［3］，冬季室外空氣溫度在大部分地區為－10～20℃，人的熱舒適溫度穩定在14～18℃，夏季室外空氣溫度為24～38℃，人的熱舒適溫度穩定在24～28℃，供熱制冷量相對較少、熱泵運行時間較小；穩定性和安全性要求較高。對于用于有較多老人和兒童，并且人的停留時間最長的住宅建筑而言，熱源和系統的穩定性和安全性要求較高。

2.1 空氣源

空氣源熱泵是以空氣作為高溫（低溫）熱源來進行供熱（供冷）的裝置。相對于其它熱泵類型而言，我國對空氣源熱泵的研究起步較早，研究內容也較多。空氣源熱泵則安裝靈活、使用方便、初投資相對較低，且比較適用于分戶安裝，目前我國室內空調器大都采用的是這種形式。

但是，空氣源熱泵也存在明顯的不足，空氣源熱泵的性能受室外氣候條件變化影響較大，隨著室外環境的惡化而惡化。夏季隨著室外空氣溫度的升高，制冷負荷增大，但熱泵系統冷凝溫度升高，熱泵溫差增加，機組整體效率降低；冬季隨著空氣溫度的降低，供熱負荷增大，而蒸發溫度隨之降低，熱泵溫差增大，導致機組整體效率降低。同時，隨著室外條件的惡劣，熱泵的工作性能急劇下降，又反過來加劇了室外環境的惡劣程度。

空氣源熱泵另一個突出的問題是蒸發器冬季結霜問題。這不但導致系統供熱性能的急劇下降，還將對壓縮機等重要部件產生不良影響（如冰堵），嚴重時將損壞壓縮機，使系統不能正常運轉，同時，結霜還將使機組運行費用增加。盡管我國在這方面已經做了很多研究工作，但關于結霜的控制措施及除霜技術的研究方面，還需要進一步進行深入研究和實驗論證。另外，目前空氣源熱泵機組中大都采用的是一些含CFCs或HCFCs的等具有臭氧破壞潛能ODP或地球變暖潛能GWP的制冷劑，對環境的負面影響較大。

空氣源熱泵滿足住宅建筑分散性要求、單戶一次性投資少，易于維護管理，主要應用于非寒冷地區，建筑物室內外溫差不宜過大，在我國的東北、山東、河北、西安、內蒙等冬季室外溫度過低的地區不宜在冬季用空氣源熱泵取暖。

2.2 地下（表）水源

水源熱源分為地下水源和地表水源，地下水源在平原和地下水豐富地區應用較多，國內近幾年［4］，在山東、河南、湖北、遼寧、黑龍江、北京和河北等地已有100多個地下水熱泵工程項目，供熱、空調面積達100萬m2；地表水源在地表水資源豐富地區也有一定的應用，如在西南片區的重慶、成都等江河貫穿城市的地區。

地下水源熱泵（Ground－Water Heat Pump，GWHP）系統的低位熱源為地下水，熱泵機組冬季從生產井提供的地下水中吸熱，提高品位后，對建筑物供暖，取熱后的地下水通過回灌井回到地下，同時蓄存一部分冷量。夏季則生產井與回灌井交換。地下水的溫度一年四季相對穩定，波動范圍較小，是很好的熱泵熱源和空調冷源。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更加可靠、穩定，保證了系統的高效性和經濟性。

地表水源熱泵則是將持續流動的地表水體作為熱源，沒有回灌和儲熱的步驟，靠地表江河自身的相對恒溫性對系統供熱。地下（表）水源熱泵能應用于地下（表）水資源豐富的城市和地區，且小區應距離水源較近，因為過長的傳輸距離不僅導致工程量和投資的增加，也致使熱量損失嚴重，采用地表水源還需要江河管理部門的許可和備案。

2.3 土壤源

地源熱泵系統（Ground source heat pump systems）是由室外地能換熱系統、水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統3部分組成的供熱空調系統，是利用水源熱泵的一種形式。3個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，水源熱泵與大地之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，單機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。此外，機組使用壽命長，結構緊湊，節省空間，維護費用低。建設部公布［5］的212個可再生能源建筑應用示范項目中有144個與地源熱泵有關的項目，其中使用土壤源熱泵技術的項目有47個，其項目總面積為337.56萬m2，其比例位于地下水源熱泵之后排在第2位。

地埋管換熱器是土壤源熱泵技術的核心和重要應用基礎［6］。土壤源熱泵埋管換熱器傳熱，是一個十分復雜的非穩態傳熱過程。一方面，換熱器的埋管方式、土壤特性、地下水文參數、回填材料以及地面氣象參數都影響著換熱器的傳熱過程；另一方面，地下埋管傳熱過程又與地面熱泵機組的運行特性、建筑負荷相互影響［7］。地下埋管換熱器主要分水平埋管和豎直埋管兩大類。由于水平埋管換熱器占地面積大，且傳熱過程受地表溫度和大氣溫度影響較大，所以，在實際應用中往往多采用豎直埋管。

實際工程中，豎直地埋管換熱器穿過不同地質層，涉及到土壤分層以及地下水的問題，且這兩個因素對地埋管換熱器換熱性能有很大影響，所以豎直埋管涉及到詳盡的地質勘探。工程常見的地熱換熱器鉆孔直徑為100～200mm，鉆孔深度40～200m，需要動用大型鉆機等，如遇地下水及巖石地層，則施工周期長，施工投資大。在系統的運行使用過程中，如果地下換熱管發生破損和堵塞等情況，進行修復和重置的成本高，所以對埋地的設備構件等的質量和維修管理人員的專業素質要求高。

所以，對于地下水豐富、地質條件較差或地震多發地區，居住小區設備管理能力不足，土壤不宜作為熱源采用，且不能很好地滿足住宅建筑穩定性要求。

2.4 太陽能源

將在低溫時集熱效率較高的太陽能集熱器和蒸發溫度較高時系統效率較高的熱泵系統相結合，采用太陽能加熱系統來作為熱泵系統的熱源，這種太陽能與熱泵聯合運行的系統被稱為太陽能熱泵系統。

太陽能具有資源豐富、取之不盡、用之不竭、無需開采費用、處處均可開發應用的特點，是清潔的可再生能源。除了供熱之外，還可供生活熱水，一機多用。在實際工程應用方面，美國及西歐各發達國家都已經建成了許多由太陽能熱泵系統進行供熱的公共及私人建筑，如美國丹佛公共學院北院等均取得了較好的效果。英國、德國等一些歐洲國家也都已經建成多座生態別墅，別墅中的全部生活熱水以及采暖供熱都由太陽能熱泵提供，夜晚以及陰雨天則利用晴天時所儲存的能量［8］。我國太陽能熱泵主要應用在公共建筑物上，例如，北京奧運村和奧運場館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽能熱泵供熱系統［9］。但在私人住宅應用太陽能熱泵方面的研究和應用，我國基本處于空白階段。

太陽能熱泵系統節能效果好、投資較水源和地源少、運行管理容易、一機多用等優點使其在供熱方面具有較大的領先優勢，但應用于住宅建筑暖通空調熱泵系統的熱源有兩個問題：第一是僅能供熱，不能制冷，夏季無法單獨調節室內溫度，需和其他熱泵配合使用；第二是在日照少的高緯度地區、山地和年陰天數較多的地區無法充分供熱。

2.5 污水源

污水源熱泵技術是一項直接利用污水中能量的技術，它以工業污水、工業廢水、污水處理廠2級或3級處理后的出水為熱源提取熱（冷）能量，實現熱（冷）量的采集和利用以及由低位能向高位能的轉化。

污水處理廠排出的再生水水溫適宜，城市污水水溫高且穩定，具有冬暖夏涼的特征，溫度全年在10～25℃之間（一般夏季為17～22℃，冬季10～16℃），適合對建筑物冬季供熱和夏季供冷。水量波動小，有利于熱泵系統的高效、穩定運行，且熱泵出水溫度可在較大范圍內調節，能夠較好地滿足不同地區的供暖需求。污水熱能潛力大，我國每年污水排放量為464×108m3／年，可利用的熱量可供采暖空調面積為5億m2以上。以黑龍江省為例，2000年全年污水排放量為11.4×108m3／年，若考慮70%可用，可利用的熱量可供暖面積為1 100萬m2［10］。

但長途的傳輸，必會損失大部分的熱量，導致熱利用率降低，且增加一次投資成本和施工周期，也給后期維護管理帶來不利因素，所以污水源適合作為工礦廠區附近、污水廠附近住宅建筑的熱源，從而限制了其他住宅建筑使用污水源熱泵。

2.6 一種適合住宅建筑的污水源

為了解決熱量長途傳輸的弊端，也有人提出了在提升泵站和三級干管處設置污水熱泵，或在小區附近的生化池設置污水熱泵，以求就近取能供熱［11，12］。

現在住宅小區的規模日趨變大，大部分城市生活污水在進入市政管網之前會經過小區生活污水處理設施（化糞池、厭氧消化池、生化處理設施）處理，這些污水處理的初級設施內的污水也可作為一種污水熱源。林真國［13］等就從就近利用小區污水冷熱能的角度出發，對重慶市主城區某居住小區生活污水的溫度和流量進行了測試分析，提出了小區污水熱泵系統應用于建筑空調、供暖和衛生熱水供應的綜合節能系統模式。2008年中國地源熱泵發展研究報告［14］提出將污水源熱泵系統設在城市居住小區或者單棟建筑的生化池附近，能夠快捷地利用污水冷熱能，便于將回收的污水熱能就地實現利用的原則。

生化池污水在一般情況下具有水量足、穩定、水溫高、施工和維護較地源熱源容易的特點。一個生化池往往處理1～10棟住宅建筑排出的生活污水，一棟住宅樓的居住人數通常在100～500人之間，每人每天產生的生活污水，包括洗衣做飯，洗澡，衛生間等各部分約為200L，水量充足。小區生活污水處理設施的水溫由于廚房和衛生間熱水排放、污泥內部厭氧發酵等原因，較城市污水處理廠出水高，且出水比進水溫度高。

但生化池污水量峰值與供熱制冷的時間段上存在錯位，且部分小區入住率不足，造成污水量變化大，供熱量不足以滿足所有面積的缺點。對于入住情況良好、小區人口較多，設置集中式生化池的住宅小區，可將生化池污水作為熱泵熱源的補充來源。

3 住宅小區熱泵熱源的選擇

住宅小區熱泵熱源的選擇原則是穩定、安全、低耗、易于管理和維護等。根據這些原則和住宅小區的不同情況，可按以下幾條來選擇熱泵的熱源。

（1）有余熱污水排出的工礦廠區或穩定運行的污水處理廠附近的住宅考慮以污水作為熱源。

（2）在地質條件合適、處于非地震帶且施工、管理和投資滿足要求的情況下，考慮選擇土壤作為熱源。

（3）在不滿足第1、2條、地下或地表水資源豐富而穩定、施工管理和投資滿足要求的情況下，考慮選擇地下水作為熱源。

（4）高原地區、日照強而穩定地區考慮以太陽能與空氣配合作為熱泵的熱源。

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［14］徐 偉.中國地源熱泵發展研究報告（2008）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.