摘要： 本文对水源热泵空调系统作了简单介绍，分析了湖南地区气候特点、水资源状况以及水源热泵系统对水源系统的要求，以湖南省澧县某宾馆地下水源热泵空调系统和湖南省湘潭市城市中心区一期工程地表水源热泵空调系统为例，对水源热泵系统在湖南地区的应用进行了实例分析。在湖南地区应用水源热泵空调方式效率高、节能且经济，符合当今世界可持续发展的要求，可以作为湖南地区冬季供暖夏季制冷的长久良策。
关键词： 水源热泵 水资源 节能 空调
随着我国经济发展和人民生活水平的提高，空调设备越来越普及，社会对空调的需求非常巨大。我国湖南等冬冷夏热地区夏季需要制冷，冬季需要供热。目前，这些地区所用的采暖降温设备多为分散在各用户的能耗很大的电暖器和空调器，耗电量相当大。随着可持续发展和人们环保意识的提高，环保和节能已成为建筑空调发展的首要研究问题，由于水源热泵系统具有节能、环保、性能稳定、清洁等优点，因此我们有理由相信水源热泵在冬冷夏热的湖南地区是最有前途的节能空调装置和系统。
1 水源热泵空调系统概述
水源热泵是以水为热源的可进行制冷/制热循环的一种热泵型整体式水－空气空调装置。水的质量热容大，传热性能好，传递一定热量所需的水量较少，换热器的尺寸可较小。所以在易于获得大量温度较为稳定的水的地区，水是理想的热源。如地下水以及江河湖海的地表水在一年内温度变化较小，都是可作为热源的水源，而且用水作为热源也不存在蒸发器表面结霜的问题。但是用水作为热源时，水系统比较复杂，又需要消耗水泵的功率，如果水质硬度较大，还会造成换热器表面结垢，使设备的传热性能下降，如果水中含氯离子量大，还会造成设备的腐蚀。
水源热泵空调系统包括【1】：利用一个循环水环路作为加热源和排热源的水环路热泵系统；利用地下水的地下水源热泵系统；利用建筑物附近的湖泊、水流或渠道中的地表水的地表水源热泵系统；使用1个闭式的水或盐水环路，包括浸没在地表水（河、湖或池）中的管道的闭式环路地表水热泵系统；将1个闭式的水环路埋入地下，以土壤作为吸热源和排热源的闭式环路土壤热泵系统。
2 水源热泵在湖南推广的可行性分析
2.1 湖南地区气候条件
湖南省位于长江中游之南、南岭以北，处于北纬24°39′～30°08′，东经108°47′～114°15′之间，属亚热带季风湿润气候。在冬季，常被西伯利亚和蒙古人民共和国一带南下的冷气团所控制，北方寒流频频南下，且时常出现阴湿天气，气候比较湿冷。在夏季，则多为海洋暖湿气团包围，温高湿重，盛夏时高温酷热。因此，该地区在一年中的变化是比较大的，属于典型的冬冷夏热地区。湖南省的年平均气温在16～18℃之间，一年之中，1月最冷，月平均气温一般为4～7℃，7月最热，月平均气温为27～30℃，气温年较差一般大于23℃【2】。纵观湖南全年气候，可归纳其主要特征为：气候温暖，四季分明；热量充足，雨水集中；春温多变，夏秋多旱；严寒期短，暑热期长。
2.2 湖南地区水资源条件
湖南地区年平均降水量1200～1700mm，属多雨地区，4～9月降水量约占全年的65～70%左右，全年降水日数为140～180天【2】。2001年，湘江水年最高水温为32.5℃（7月31日），最低水温为6.8℃（1月2日），全年低于7℃的时间只有1天，低于8℃的有7天。
2.2.1水资源总量
水资源总量用于评价区内当地降水形成的地表、地下产水总量，不包括过境水量，由地表水资源量、地下水资源量相加扣除重复计算量得来。资料显示，湖南地区水资源非常丰富。
表1 2001年湖南地区主要河流水资源总量 水资源量：亿立方米
河流名称 | 年降水量（亿m3） | 地表水资源量 | 地下水资源量 | 重复计算量 | 总水资源量 | 产水系数 |
湘江 | 1266.2 | 737.92 | 189.00 | 189.00 | 737.92 | 0.58 |
资水 | 368.7 | 222.48 | 54.65 | 54.65 | 222.48 | 0.60 |
沅江 | 635.5 | 360.00 | 79.82 | 79.82 | 360.00 | 0.57 |
澧水 | 171.7 | 92.05 | 22.80 | 22.80 | 92.05 | 0.54 |
纯湖区 | 175.7 | 81.99 | 18.83 | 12.23 | 88.59 | 0.50 |
汨罗江 | 80.3 | 43.63 | 7.70 | 7.70 | 43.63 | 0.54 |
其他 | 58.0 | 26.06 | 5.05 | 5.05 | 26.06 | 0.45 |
合计 | 2756.1 | 1564.13 | 377.85 | 371.25 | 1570.73 | 0.54 |
2.2.2 主要河流水质状况
（1） 湘江：II、III类水质河段占评价河长，汛期为70.0%，非汛期为62.7%。主要污染物为总汞、氨氮、总镉、总砷、石油类、总大肠菌群等。
（2） 资水：II、III类水质河段占评价河长，汛期为51.0%，非汛期为51.0%。主要污染物为氨氮、挥分酚等。
（3） 沅江：II、III类水质河段占评价河长，汛期为86.1%，非汛期为83.7%。主要污染物为总汞、挥分酚、氨氮、五日生化需氧量等。
（4） 澧水：水质较好，均达到II、III类水质标准。
2.3 水源热泵系统对水源系统的要求
水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。水源热泵系统对水源系统的要求是：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定。具体来说，水源的水量应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的要求；水源的水温适度，适合机组运行工况，根据美国制冷学会ARI320标准【3】，开式系统水源热泵对水温的要求是5～38℃，在水温10～22℃之间运行时能效比较高。
3 应用实例分析
3.1 湖南省澧县某宾馆地下水源热泵系统
3.1.1 项目概况
该系统位于湖南省西北部的澧县，近长江洞庭湖区，地下水丰富，平均地下水位8m。地质构造为：0～7m为土壤层，8～16m为砂石混合层，17m以下为粘土层。地下水温度在整个测试期间基本上恒定在18.5℃，且不受运行时间的影响。地质情况为：0～7m是土壤层，8～16m是混合层（自由含水层），17m以下是土壤层。系统由两台好特热泵机组Ⅰ、Ⅱ并联运行，其铭牌制热量分别为100KW、40KW，额定输入功率为20.1KW、12.6KW，制冷剂均为R22。水源水系统有两口直径分别为160cm、140cm的深水井，一供一回，相隔大约30米左右。供回水井处地下水的压差，用皮托管和微压计测得为37pa，供水井高于回水井。
表2 湖南省澧县某宾馆地下水源热泵系统所选用机组参数
机组 | 型号 | 制冷量（KW） | 制热量（KW） | 蒸发器水量(m3/h) | 冷凝器水量(m3/h) | 压缩机功率(KW) | 参考制冷面积(m2) |
机组Ⅰ | HTDR-540 | 42.0 | 40.5 | 6 | 5 | 12.3 | 540 |
机组Ⅱ | HTDR-1400 | 105.8 | 98.5 | 12 | 10 | 21.6 | 1400 |
3.1.2 地下水源热泵与其他几种常用供热方式能量利用系数比较
热泵虽然有大于1的制热系数，但是仅以此来判断供热的经济性还是不够的。在将电动热泵供暖和其他供暖方式比较时，还应考虑另一个经济指标——能量利用系数E。能源利用系数E的定义为，供热量与消耗的初级能源之比【4】。它除反映了制热系数的高低外，还考虑到热泵利用一次能源（燃料）的效率，它包括发电效率和输电效率。
表3 几种供热方式的最大能量利用系数比较
【5】 供暖方式 | 计算条件 | E |
电加热 | 热网效率0.98，电厂供电效率0.35 | 0.34 |
集中锅炉 | 锅炉效率0.8，热网效率0.98 | 0.78 |
空气源热泵 | 电厂供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，热泵制热系数为3.0 | 1.0 |
水源热泵 | 供电效率0.35，热网效率0.98，热泵火用效率0.45，15℃地下水为热源，热泵制热系数为4.0 | 1.4 |
由表3可以看出，在表中所列的几种供热方式中，水源热泵的最大能量利用系数最高，达1.4，由此可以看出水源热泵供热方式最节能且最为经济。
3.2 湖南省湘潭城市中心区一期工程地表水源热泵系统
3.2.1 项目概况
湘潭城市中心区水源热泵系统第一期工程包括市政府大楼、广电中心、大剧院、地下商城，总建筑面积约75000m2。中心区的湖湘公园将修建总面积为120亩的人工湖，利用该人工湖的湖水作为水源热泵机组的冬季热源和夏季冷源。选用湖南凌天科技有限公司生产的LD-BL-1000型模块化地温中央空调机组15台；机组总制冷量13410KW，总制热量15030KW；制冷额定功率2682KW，制热额定功率3330KW。机房内热泵机组和水泵总的装机功率约3262KW，如果单独设置变压器，所需变压器容量为4338KVA。
表4 湖南省湘潭城市中心区地表水源热泵系统第一期工程概况
项目 | 市政府大楼 | 广电中心 | 大剧院 | 地下商城 | 合计 |
建筑面积（m2） | 42000 | 19000 | 14000 | 49500 | 124500 |
夏季冷负荷（KW） | 3090 | 2120 | 3000 | 8290 | 16500*0.8＝13200 |
冬季热负荷（KW） | 2303 | 1200 | 850 | 2880 | 7233*0.8=5786 |
注：计算系统总负荷时取四幢建筑的负荷参差系数为 0.8。
3.2.2 水源系统的具体参数
（1） 水温
湘江水水温随季节、纬度和高度不同而变化。根据2001年湘江水资源资料显示，湘潭地区湘江水冬夏水温在6.8～32.5℃之间变化，基本上满足水源热泵系统对水温的要求。
（2） 水质
湘潭地区夏季制冷时间为7～9月，供暖时间为12月～2月，这段时间内湘江水质比较清，含沙量较少。从湘江抽水到沉淀池处理后，再注入人工湖澄清过滤后用于水源热泵机组供暖或制冷。由于系统设计冷凝压力为28bar，对应的温度低于60℃，所以不会结垢。
（3） 水流量
水源在冬季和夏季真正的需要量，实际上应与系统选择的机组性能、水温、建筑物内循环温度和冷热负荷以及热交换器的型式有关。经计算，供冷所需水量为712.1t/h，供暖所需水量为558.1t/h。可见，夏季供冷所需的流量应是需要水量的最小流量。
3.2.3 方案可行性分析及可能存在问题的解决方法
如果空调建筑物附近有可利用的海、湖或水池及人工湖，地表水系统可能是最有节能优点而又最经济的空调系统。根据计算分析，湘江引水蓄湖，除极端温度使水源热泵能效比降低外，绝大部分时间水源热泵机组能效比都很高。按最低人工湖容量21万m3的湖水，温度升高或降低1℃可吸收或排放热量为244186KW，为该系统每小时制冷量的34倍，供热量的56倍多。也就是说，热泵连续排热34小时，才使水温升高1℃；或连续吸热56小时，才使水温降低1℃。可见，蓄水湖有足够的容量供系统使用。
但是，湖水的温度与湘江的水温是有差异的，受天气的影响较大，极端情况下，不排除超过界限值，对于超出此值时可以采取如下方案解决：
（1） 夏天湖水温度太高时，可以采用喷泉式的喷淋方法使水在湖中或湖的周边喷淋，降低水温，使水温保持在32℃以下，又能成为一道风景线；
（2） 冬季湖水温度太低时，可以利用连接湘江与蓄水湖的埋地水管作为地热的提取装置；同时，夏季湖水温度太高时，也可以利用该装置散发系统冷凝热；
（3） 冬季利用夜间低谷电价加热蓄水箱中的水，用于白天的湖水加温后对系统实现供热。
4 结论
湖南冬夏两季时间占全年的67%，且冬季潮湿阴冷，夏季酷热高温；湖南地区水源有保证且价格低廉，水质也基本符合应用水源热泵机组的要求，由此看来，只要考证水源的可靠性并采取适当措施（如在机组前装除污器以分离水中的固形杂物；安装水处理器以软化水质等进一步改善水质；或者采用中间换热器），在湖南地区推广水源热泵空调系统完全可行。在湖南地区使用水源热泵将大大降低空调采暖的能耗，降低用电高峰期负荷，减少燃煤发电所排放的污染物，改善大气环境和城市生态环境，符合当今世界可持续发展的要求，可以作为湖南地区冬季供暖夏季制冷的长久良策。本文的分析也可为处理长江流域等冬冷夏热地区的建筑环境及建筑节能问题提供借鉴。
[1] 蒋能照等. 空调用热泵技术及应用. 北京：机械工业出版社，1997
[2] 湖南省气象局. 湖南气候. 长沙：湖南科学技术出版社，1979
[3] Stephen P. Kavanaugh, Kevin Rafferty. Ground-source Heat Pump-Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings. Atlanta. Ca: ASHRAE., 1997
[4] 徐邦裕，陆亚俊，马最良. 热泵. 北京：中国建筑工业出版社，1988
[5] 涂锋华等. 节能技术，2001，5：33～35
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