水源熱泵技術在暖通工程中的應用

單 卓

（創元建工集團有限公司,湖南 長沙 410000）

能源是社會與經濟發展的重要支柱，進入現代社會，人類對能源的實際需求呈持續增長的態勢[1]?；诖吮尘跋?，各種綠色清潔能源被廣泛關注。建筑行業作為能耗高地，必須重視清潔能源的開發利用，有效降低建筑物實際運行能耗[2-3]。水源熱泵技術作為一種利用地下水熱能的新技術，與傳統暖通空調技術相比具有更好的經濟、節能以及環保效益，因此逐漸得到推廣應用。

1 水源熱泵技術的提出

2021年世界能源統計年鑒顯示：2020年，美、印、俄的能源消費量下降，而中國的能源消費量增幅顯著，同比增長達2.1%[4]。從我國能源結構來看，依舊以化石燃料為主（煤炭、石油等），但是基于我國在能源結構優化方面的不斷努力，清潔能源生產規模快速增加，如，2020年規模以上工業水電、核電、風電、太陽能發電等在全部發電量中的占比達到了28.8%，天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量的占比也提高了1.1%。

在這種情形下，地熱能開始進入人們的視線，成為暖通工程的重要清潔能源，而《地熱能開發利用“十三五”規劃》的發布更是奠定了地熱能的重要地位[5]。從國內勘查開發成果來看，淺層地熱能資源分布廣泛，336個地級以上城市的可開采量折合標準煤7億t?？傮w來看，我國地熱資源豐富，如何有效利用地熱資源十分關鍵，文中主要以水源熱泵技術為研究對象展開詳細分析，此技術主要是利用被熔巖加熱的地下水為地上建筑供冷或是供熱[6]。水源熱泵技術擁有諸多優點，包括效率高、綠色環保、節約能源等。

2 水源熱泵技術原理及其應用面臨的問題

2.1 水源熱泵技術原理

在水源熱泵技術中，“熱泵”這一名詞源于“水泵”，參考水泵技術使熱量從低溫物體傳輸至高溫物體，有效提升熱量[7-8]。

地下水源熱泵系統主要可分為三大子系統，包括用戶末端系統、熱泵機組、水源系統。如圖1所示，冬季地下水為“熱源”，在進入熱泵機組蒸發器后熱量傳至制冷劑，并及時回灌，而制冷劑繼續將熱量傳至冷凝器中的低溫熱水，熱水吸熱后被重新輸送至用戶末端，達到供熱目的。如圖2所示，夏季地下水為“冷源”，在進入熱泵機組冷凝器后將制冷劑熱量帶走，并及時回灌，而制冷劑繼續將冷量傳至蒸發器中的冷凍水，冷凍水溫度降低后被重新輸送至用戶末端，達到供冷目標。

圖1 地下水源熱泵冬季供暖模式

圖2 地下水源熱泵夏季供暖模式

2.2 水源熱泵技術應用優勢及面臨的問題

2.2.1 應用優勢

與傳統的暖通空調技術相比，水源熱泵技術在暖通工程中的應用主要有以下優勢。

（1）經濟性良好。與傳統暖通空調相比，地源熱泵容量大，運行費用可節約18%～54%，維護費用更低，具有較好的經濟性。當安裝容量＞528 kW，井深控制在180～240 m時，經濟性較好。此外，據專家初步計算，地下水源熱泵技術投資增量回收期為4～10 年[9]。

（2）節能性較好。由于地球表層具有蓄熱、隔熱效果，地下水常年溫度與全年氣溫相比呈冬暖夏涼的特點，可帶走建筑物內的熱量或是輸送多余的熱量，且制冷能效比、制熱性能系數均較高。

（3）環境效益顯著。地下水源熱泵系統以地下水為傳熱介質，冬季無須使用鍋爐系統，減少了廢氣等污染物的排放，有利于資源節約、環境保護；夏季無須使用冷卻水塔，減少了噪音、霉菌污染以及水資源消耗等問題[10]。此外，夏季水源熱泵系統將建筑內的熱量轉移至地下，未排放至大氣環境內，有利于緩解城市熱島效應。

2.2.2 面臨的一些問題

目前，水源熱泵技術作為一種高效、節能的可再生能源利用技術，相關技術體系逐漸成熟，且得到了推廣應用[11]。結合相關實踐情況來看，在暖通工程中應用水源熱泵技術依舊存在一些問題。

（1）勘查分析、設計方面的問題。地下水源熱泵技術并非單純的暖通技術，而是一種綜合性技術。我國地域遼闊，各地的水文地質條件不同，對項目所在地進行詳細勘查與調研十分必要，以保證地下水水源的水質、污染物含量、水溫等指標均滿足系統運行要求，同時也要調研地下水源周邊場地條件，保證熱源井的順利布置[12]。此外，設計人員在設計部分水源熱泵系統時主要依據自身設計經驗，未針對項目所在地區進行適應性分析、方案論證，以致系統實際運行指標與前期方案存在較大偏差，不能獲得理想的節能效果。

（2）回灌技術問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，必須重視生態系統平衡問題，如果過度開采地下水，極易引發地表下沉等問題，威脅地表道路、建筑物的使用安全。因此，開采地下水應做到100%同層回灌，并根據項目實際情況合理選擇回灌技術，減少地下水資源浪費。從我國水源熱泵技術運用實踐情況來看，懸浮物、化學沉淀、氣泡堵塞以及微生物生長等問題導致地下水無法完全回灌，給系統運行帶來不利影響，甚至導致地下水系統被破壞[13]。

（3）水質問題。在地下水源熱泵系統中，地下水有重要的熱量儲存作用，如果系統規模小就不會對地下水冷熱量平衡產生較大影響，如果系統規模大且存在長期冷熱量轉移的情況，就極易導致地下水冷熱量失衡，進而導致生態系統失衡。根據地下水源熱泵系統運行情況分析可得，回灌水和原始含水層存在溫度差異，會造成回灌井乃至抽水井周邊地下水溫度的改變，即出現“熱短路”現象，并進一步對地下水造成不利影響；地下水源熱泵系統也會影響地下水的水質，這主要是由于地下水被抽取上來后難免與外界環境接觸，水體含氧量發生變化，或是將機組微生物等帶入含水層，產生地下水污染問題[14]。

（4）運行管理問題。在暖通工程中應用地下水源熱泵技術，良好的運行管理十分關鍵。一方面相關部門需建立完善的報批、監管和驗收制度，保證地下水源熱泵系統建設質量達標，不會對地下水環境產生污染，或是存在資源浪費的問題；另一方面應由專業的運行管理人員負責地下水源熱泵系統的維修養護工作，發揮系統應有的節能環保效益，同時及時解決系統在運行中存在的問題，提高系統運行效率，獲得理想的應用效益。

3 實例探析水源熱泵技術在暖通工程中的應用

3.1 項目概況

本項目為某辦公建筑提供水源熱泵技術，該建筑包括1#、2#、3#、4#共計4棟建筑物，其中1#地上9層、地下1層，其余均為5層建筑。建筑總面積25 000 m2，空調末端設計冷負荷、熱負荷分別為2 438 kW、1 696 kW，具體機組配置與運行控制方法如表1所示。

表1 機組配置與運行控制方法

熱源井設置10口，其中，抽水井、回水井數量分別為2口和7口，備用1口抽水井；潛水泵設置4臺，其中，備用2臺。夏季冷水供回水、冬季熱水供回水溫度分別為7℃/12℃、45℃/40℃，末端設置風機盤管。系統運行原理如圖3所示。

圖3 系統運行原理示意圖

3.2 水源熱泵系統運行現狀

此建筑水源熱泵系統在運行過程中，冷凍水的供水溫度主要采用人為設置的方法，即運行人員主要結合自身經驗，對開機時的供水溫度范圍進行預測，圖4為熱負荷與供水溫度變化示意圖。在系統運行時，一般室內熱負荷越高，供水溫度設定的參數值就越低，供水溫度的波動情況維持在3 ℃上下。理論上，當供水的溫度設定較低時，室內溫度下降更為迅速；一旦室內溫度滿足熱舒適性條件后，依舊維持初始的供水溫度，就必然造成冷量的浪費，一些末端用戶甚至采取開窗的方式調節溫度。

圖4 熱負荷與供水溫度變化示意圖

根據水源熱泵系統運行現狀分析可知，當2臺機組同時運行時，2臺備用機組旁通閥處于開啟狀態，機組冷凍水出水與主供水溫差2～3 ℃，循環水泵工頻運行時冷凍水流量180～190 m3/h；在關閉旁通閥后，則溫度基本一致，冷凍水流量130～140 m3/h。由此可得，開啟旁通閥，冷凍水流量大，一部分冷凍水回水經過機組制冷，另一部分冷凍水回水與機組冷凍水出水匯合，進入冷凍水主供水管道；關閉旁通閥，冷凍水流量小，冷凍水回水全部經過機組制冷處理。

3.3 系統節能優化策略

此水源熱泵系統運行情況顯示，系統還具有較大節能潛力，優化初始供水溫度設定是一項重要措施，具體設定方法為：在開啟機組時，供水溫度的設定值應較低，并按照室內環境設置機組運行時間；在室內溫度滿足熱舒適性條件后，提高供水溫度的設定值，將室內溫度穩定在一定范圍內。采取此種溫度設定方法，在達到系統運行目標的同時，避免了冷量浪費。

為確定實際節能效果，開展了冷凍水供水溫度調節實驗以及旁通閥關閉實驗，具體如下：①冷凍水供水溫度調節實驗。以供水溫度+2 ℃、-1 ℃為控制區間，如果供水溫度超限，就啟停壓縮機。在確保氣象數據相近的前提下，統計不同設定溫度下系統的運行電量。②旁通閥關閉實驗。根據水源熱泵系統運行現狀分析，旁通閥的啟閉會對主冷凍水的主供水溫度產生影響，如果冷凍水主供水溫度達到控制區間下限，就自動關閉壓縮機。在確保氣象數據相近的前提下，統計旁通閥啟閉時系統的運行電量。

經由試驗數據分析可得以下結論：①優化后的系統運行，有效避免了供水溫度設定值處于過低水平；②當外界氣溫、變化趨勢基本一致時，冷凍水供水溫度由11 ℃升至12 ℃，2 h累計耗電量減少37.8 kW·h；③旁通閥啟閉影響循環水泵功耗，在35 Hz頻率下運行3 h，關閉旁通閥，累計耗電量減少7 kW·h。

4 結語

綜上所述，隨著國內人們環保意識的增強和綠色能源的推廣，水源熱泵技術在暖通工程中的應用規模不斷擴大，能滿足取暖制冷要求。從現階段水源熱泵技術的實際運用情況來看，水源熱泵技術受到諸多因素的影響，如水文地質條件、建筑類型、系統配置以及運行策略等，對此必須做好前期勘察設計、技術改進及相關運行優化工作，充分發揮水源熱泵技術的節能、經濟效益，有效控制其對地下水系統的影響，防止地下水被過度抽取或是出現污染情況，真正實現建筑物與周邊環境的和諧共處。