摘要：近几年来，水源热泵得以发展的主要推动力是它能够以量大面广的低位热能，如井水、地下 水、江、河、湖水、电厂冷却循环水、矿井水及工业余热等为能源，而且具有热回收功能， 即可利用供冷空调房间排放的冷凝热来加热供热空调房间，从而提高了建筑物内部的能源利用系数。
关键词：水源热泵 节能
水源热泵是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它具有中央空调合理利用能源，设备能效系数高，运行成本低和安全、可靠等优点。又具有分散空调调节灵活、方便，便于管理和收费等优点。因此，从我国南方的深圳、广州到过渡地区的上海 、南京直到北方采暖地区的北京、大连等城市的公共建筑(办公楼、商住楼、商场等)，住宅建筑上得到了广泛的应用。
近几年来，水源热泵得以发展的主要推动力是它能够以量大面广的低位热能，如井水、地下 水、江、河、湖水、电厂冷却循环水、矿井水及工业余热等为能源，而且具有热回收功能，即可利用供冷空调房间排放的冷凝热来加热供热空调房间，从而提高了建筑物内部的能源利 用系数。
一、水源热泵系统的节能性
以采暖运行为例，目前采暖方式有集中锅炉房供热方式、热电厂供热方式、分户燃气采暖方式，水源热泵方式有利用井水、江、河、湖泊水及工业余热的形式；也有利用自来水的冬季要辅助加热的方式。它们的耗能量见表1。
耗能量的比较 表1
采暖方式 | 现有住宅建筑 | 节能建筑 |
耗能量 | 折算至标准煤 | 耗能量 | 折算至标准煤 |
集中锅炉房 | 25.08Kg/m2.年 | 25.08Kg/m2.年 | 12.41Kg/m2.年 | 12.41Kg/m 2.年 |
热电厂 | 13.96Kg/m2.年 | 13.96Kg/m2.年 | 9.03Kg/m2.年 | 9.03Kg/m 2.年 |
分户燃气采暖 | 10.6Nm3/m2.年 | 13.02Km3/m2.年 | 6.86Nm3/m2 .年 | 8.43Kg/m2.年 |
水源热泵(井水、河、湖水) | 22.46kwh/m2.年 | 9.16Kg/m2 .年 | 14.54kwh/m2.年 | 5.93Kg/m2.年 |
水源热泵(加辅助热源) | 22.46kwh/m2.年4.34Kg/m2.年 | 13.5Kg/m2 .年 | 14.54kwh/m2.年2.81Kg/m2.年 | 8.74Kg/m2.年 |
表1的计算依据：
① 住宅建筑为北京市多层住宅，现有建筑耗热量指标qH为31.82W/m2，设计热负荷指标为q为43.82W/m2，节能建筑qH为20.6W/m2，q为28.37W/m2。采暖全年需热量：现有 建筑为95.46kwh/m2年，节能建筑为61.80kwh/m2年。
② 集中锅炉房：现有供热系统热网输配效率η1为0.85，锅炉效率η2为0.55，节能供 热系统η1为0.9，η2为0.68，
③ 热电厂供电标准煤耗为0.408Kg/kwh，供热标准煤耗为40.7Kg/GJ。
④ 水源热泵采暖COP=4.25。
从表1可知，水源热泵采暖方式全年耗能量均低于集中锅炉房和热电厂，节能效益比较明显。
利用井水、江、河水或工业余热为热源的水源热泵的节能性十分明显，当水源热泵的能效系 数4.0时，与热电联产供热方式比，采暖的节能性率约为40%。 当采用辅助加热热源时，水源热泵的节能性是有条件的，主要的影响因素是：水源热泵的能效系数；辅助热源的加热容量。
① 水源热泵能效系数的影响(见表2)
制热容量为4KW时的能耗* 表2
/ | COP=4 | COP=4.5 | 节能率
(%) |
辅助加热量
耗能(kg标煤) | 3×860/7000×0.9=0.409 | 3×860/7000×0.9=0.409 | / |
压缩机耗能
(kg标煤) | 1×0.408=0.408 | 0.88×0.408=0.363 | / |
合计 | 0.817 | 0.771 | 5.6 |
*辅助加热容量为总供热量的75%。
从表2可知，COP从4提高到4.5后，节能率约为5.6%，相当于减少加热容量0.3296KW，即约相 当于减少热负荷10%。
② 辅助加热器加热容量的影响(见表3)
制热容量为4KW时的能耗* 表3
/ | 辅助加热容量/总供热量0.75 | 辅助加热容量/总供热量0.5 | 节能率(%) |
辅助加热量耗能(kg标煤) | 0.409 | 2×860/7000×0.9=0.273 | / |
压缩机耗能(kg标煤) | 0.408 | 1×0.408=0.408 | / |
合计 | 0.817 | 0.681 | 16.6 |
*COP=4
从表3可知，当辅助加热容量为总供热量的比从0.75降到0.5时，节能率约为16.6%。
③ 节能的条件
制热容量为4KW的热电联产的能耗为：
(4×860)/( 7000×0.83×0.85) =0.697kg/4kwh
由此可知：
当COP=4.0，辅助加热容量为总供热量的0.5时，与热电联产供热方式比，它的节能率 约为2%。
当COP=4.5，辅助加热容量为总供热量的0.5时，与热电联产供热方式比，水源热泵的节能率约为8%。
但当COP=4.0，辅助加热容量为0.75总供热量时，热电联产将比水源热泵节能，节能效率约 为15%。当COP=4.5时，其节能率约为10%。
节能的主要因素如下：
① 水源热泵机组直接安放在户内，热网输配损失可忽略不计。
② 水源热泵机组采暖能效系数COP大于4，部分负荷时，COP值仍很稳定。
③ 以井水，江、河、湖水及工业余热的低温热作为热泵热源的水源热泵系统，采暖耗热量仅 为全年需热量的1/4。
④ 以自来水为热源的冬季需加辅助热源的水源热泵系统，由于考虑压缩机发热量，住宅同 时使用系数及夜间调节温度等措施后辅助加热容量约为热负荷的1/2～1/3，加热量约为全年 需热量的1/2～1/3。
二、水源热泵系统的经济性
经济性指的是各种空调采暖方式的初投资、运行费和热价。
目前国内外已采用的采暖空调联供方案有：
① 热电冷三联供： 夏季，热电厂抽汽 蒸汽吸收式制冷
冬季，热电厂抽汽 汽水换热器供热
② 热电冷三联供： 夏季，热电厂热水 热水吸收式制冷
冬季，热电厂热水 汽水换热器供热
③ 直燃式冷热水机组：夏季、冬季，直燃式冷热水机组制冷、供热
④ 燃气-蒸汽联合循不
⑤ 电制冷 燃气(油)锅炉采暖
⑥ 电动水源热泵。这类机组运行性能稳定，性能系数COP值较高，理论计算可达7，实际运 行时约为5，且由于可充分利用江河、湖、海水等自然能源，冬季供暖耗能少，是一种节能性好的冷热源设备。
⑦ 空气源热泵。冷热源兼用，整体性好，安装方便，可露天安装，采用风冷，省却了冷却 塔及冷却水系统，缺点是当室外温度较低时，需增加辅助热源。各种方案的投资和成本(不 包括户内系统)见表4。
各方案的投资和成本比较* 表4
项目 | 热电冷
(蒸汽) | 热电冷(热水) | 直燃式 | 电制冷锅炉供热 | 集中式电动水源热泵 | 分体式空气源热泵 | 燃气-蒸汽联合循环 |
投资(万元/KW) | 0.197
/0.223
(含源网) | 0.275
/0.302
(含源网) | 0.207 | 0.206 | 0.335 | 0.199 | 0.436 |
成本(元/KWH) | 0.139 | 0.151 | 0.214 | 0.207 | 0.167 | 0.220 | 0.081 |
*为《住宅区三联供系统的研究》中提供的数据，成本为年运行成本。
下面以兴降矿十八层单身职工宿舍为例，说明水源热泵采暖空调联供方案的经济性。
十八层单身宿舍建筑形状为Y形，总采暖空调建筑面积为9564m2，2～18层为标准层，标准层面积为562.6m2，设计冷热负荷为573.84KW。表5为采暖空调联供方案，表6为各方案初 投资的比，表7为各方案运行费的比较，表8为各方案的综合比较。
采暖空调方案 表5
序号 | 方案 | 采暖空调方式 | 备 注 |
方案1 | 以地下水为冷热源水源热 泵(水-空气) | 冬天：热泵产生热风送至户内夏天：热泵产生冷风送至户内 | 每户设 热泵一台将风送至各房间 |
方案2 | 以地下水为冷热源水源热泵(水-水) | 冬天：热泵产生热水送至风机盘管 夏天：热泵产生冷水送至风机盘管 | 热(冷)源集中、每户设风机盘管 |
方案3 | 电制冷 热电厂采暖 | 冬天：热电厂蒸气 汽水换热器夏天：中央空调 机送冷水至风机盘管 | 热(冷)源集中、每户设风机盘管 |
对比方案 | 分体空调 锅炉房采暖 | 冬天：锅炉房(热电厂)供热，户内 散热器 夏天：每户安装分体空调机 | 热源集中、冷源分散空调品质较差 |
各方案初投资的比较 表6
| | 方案1(进口) | 方案2 | 方案3 | 对比方案 |
进口 | 国产 | |
初投资*(万元) | 237.4 | 305.8 | 238.2 | 236.6 | 267.15 |
单位建筑面积投资(元/m2) | 248 | 319.7 | 249.1 | 247.4 | 279 |
*计算时包括安装费15%，运行调试费5%，税及管理5%，设计费2%和利润10%。
各方案运行费的比较(元/m
2) 表7
| | 方案1 | 方案2 | 方案3 | 对比方案 |
采暖 | 空调 | 采暖 | 空调 | 采暖 | 空调 | 采暖 | 空调 |
不考虑同时使用系数，热回收系数 | 19.25 | 19.25 | 9.5 | 6.2 | 9.5 | 7.2 |
合计 | 19.25 | 19.25 | 15.7 | 16.7 |
考虑修正系数 | 10.78 | 10.78 | 9.5 | 4.34 | 9.5 | 7.2 |
合计 | 10.78 | 10.78 | 13.84 | 16.7 |
〖BG)F〗 兴隆矿地处兖州市，根据兖州市气象资料，该地区冬季采暖期天数106天，延时小时数2 544小时，最大负荷小时数2544*(20-0.4)/［20-(17)］=1847小时。夏季空调期天数90天， 延时小时数2160小时，根据济南、淄博三联供实际测试资料，取夏季最大负荷小时数为720 小时。则单位建筑面积，采暖期需供热量60W/m2*1847=110.5kwh,空调期需冷量60W/m2* 720=43.2kwh。
各方案综合比较 表8
方案 | 单位供热(冷)量能耗(kg标煤/kwh) | 单位供热(冷)量系统投资(万 元/KW) | 单位供热(冷)量设备全年运行费(元/kwh) |
方案1 | 0.057 | 0.414(进口) | 0.07 |
方案2 | 0.057 | 0.533(进口)/0.415(国产) | 0.07 |
方案3 | 0.133 | 0.412 | 0.12 |
对比方案 | 0.148 | 0.465 | 0.11 |
从表6、表7、表8的对比可知，兴隆矿实施采暖空调，以方案1为佳。
前面提到的方案1水源热泵(水-空气)，方案2水源热泵(水-水)在技术与经济上都是可采用的 方案。但方案2中大型水源热泵是一种集中冷(热)源的方式，目前，国内尚无大型水源热泵 厂家，进口设备较贵，而国产水源热泵系列不全，单台容量较小，只有将多台设备集中放置在机房时，才能形成集中冷(热)源形式，投资较大，安装运行维护不便。
无论是从单位供热(冷)量所需能耗，还是从投资和运行费上看方案1都具有明显的优越性。 其中进口热泵机组的价格与方案2中国产设备的投资相近，但比方案2进口设备价格低得多， 且不要另建机房。因此，十八层楼单身宿舍拟采用方案1为实施方案。
水源热泵采暖空调联供方案投资偏低的主要原因：
① 不设专用机房。中央空调的机房面积(包括空调装置、电气及其它)约为空调建筑面积的5 ～8%，其中空调装置约占4～5%，以10层建筑物为例，其中机房约占一层。水源热泵将空调 装置分散设在每户，不仅减少了机房的建设费用，在寸土寸金的地区，增加的办公面积，营业面积的作用就更大了。
② 封闭水管不要保温，对竖井没有特殊要求。中央空调系统的竖井占有较多建筑物的有效 面积，全空气系统的竖井面积更大。竖井布置的是否恰当，不仅会影响空调系统的效率，而且对空调的投资有较大的影响。
③ 不占有房间的有效面积，中央空调系统的户内装置风机盘管有时放置在窗户下，对住宅 的影响较大。
水源热泵联供方案运行费偏低的原因：
① 水源热泵采暖运行时，约占总供热量3/4的吸收热来自井水，江、河的低温热或工业余热 ；空调运行时，约为总制冷量1.2倍的总散热量由低温热或工业余热分摊，因此，较多地降 低了采暖、空调系统的运行费。
② 水源热泵机组直接设置在用户房间内，减少了输配损失。
③ 水源热泵机组能效系数较高，且性能系数的稳定性较好。
④ 水源热泵系统具有热回收性能。当同一建筑中有的房间需供热，有的房间需空调时，往 往无需冷却及辅助加热。
三、水源热泵系统的可靠性
采暖、空调系统运行的可靠性指的是系统稳定性好，调节灵活。所谓稳定性好指 的 是采暖空调房间的温度、湿度、气流速度等热舒适性参数不受外界的影响，保持在设计范围内，即当系统的某一部分发生事故，或某用户的设备发生故障时，对另外的房间没有影响或 影响较少。水源热泵系统的热泵机组设置在每个房间内，当某一台发生故障后，只要将联接该设备的供、回水阀关断，就不会对相邻用户产生任何影响。所以说，水源热泵的稳定性非 常好。
水源热泵的温度自控装置组合在热泵机组中，无需另设控制中心或控制室，用户根据自己的 愿望，可灵活地控制室温和风机转速。这种方式不仅适合于公共建筑，对不同年龄、不同职业和不同生活要求居住的住宅建筑来说，这就显得更为重要了。
除此之外，水源热泵系统便于进行热计量，物业公司根据用户的耗电量就可向用户收费，是 解决当前采暖、空调收费难的一项重要举措。
四、设计是水源热泵实现可靠性、经济性、节能性的保证条件之一
水源热泵机组为水源热泵空调采暖系统创造了关键性的条件，没有这种机组，就不 存在这种系统。但机组运行的好坏与源、网、机组的系统组合方式密节相关。即与系统的设计密切相关。
水源热泵采暖空调系统设计的特点见表9
水源热泵系统设计的特点 表9
项目 | 水源热泵 | 中央空调 |
水系统 | 水温(℃) | 15℃/35℃ | 空调7℃/12 ℃采暖60℃/50℃ |
水量(m3/h)流速(m3/s) | 每冷吨0.191/s0.684m3/hV≯0.83m /sG≮1GPM=0.0631/s | 空调制冷量/5℃ 采暖 制热量/10℃ |
风系统) | 风量(l/s)送风温差(△t)风速(m/s) | 每冷吨142～248l/s(高、中、低三档)511～893m3/h=约10℃～15 ℃主干管2～3支干管2～2.5m/s | 根据用户要求、要求高、△t小、风量大。主干管3-4m/s、主干管2.5-3m/s |
补助加热量(KW) | 按吸热量计算、考虑同时使用系数 或夜间改变设计参数后，补助加热量约为设计热负荷1/2～1/3 | 按设计热负荷计算 |
冷却塔 | 按总散热量的0.6～0.8选择冷却塔 | 按总散热量计算 |
自动控制 | 热泵专用控制；恒温调节器、自动转换开关、水温控制器、机 组安全控制、风速三档控制 | 户内：风机盘管三速控制中央控制室温度、压力、流量的 控制 |
运行参数* 表10
参数 | 空调运行 | 采暖运行 |
最低 | 标准 | 最高 | 最低 | 标准 | 最高 |
运行 | 进风 | 干球 温球 | 21 14 | 24 18 | 29 26 | 13 - | 20 - | 21 - |
水 | 进水 出水 | 7 12 | 33 38 | 59 54 | -4*2-6*2 | 18 14 | 29 26 |
极限 | 进风 | 干球 温球 | 18 12 | - - | 35 26 | 5 - | - - | 27 - |
水 | 进水 出水 | 7 12 | - - | 49 54 | - 4*2-6*2 | - - | 29*326*3 |
〖BG)F〗
注：[WB]*1机组的送风量为每冷吨0.16m3/s，水流量为每冷吨0.16升/s至0.19升/s。
[DW]*2此时为乙稀乙二醇溶液。
[DW]*3短时间内可以为35/28℃。
水源热泵系统设计时要注意以下几个问题。
① 水源热泵机组的容量不要过大。中央空调冷热源设备选型时，设备制冷(热)量约为设计 冷( 热)负荷的1.05～1.10。水源热泵机组选型时，应尽量接近设计冷(热)负荷。若机组偏大时 ，运行时间短，启动频繁。机组容量合适，运行时间长，有利于除湿。
② 封闭水系统水温的选择，夏季要求水温低些，目的是提高能效，降低耗电功率。冬季水 温不要太高，因为水温高时，虽然制冷量高了，但耗电功率也高了，能效系数变化不大。
③ 设计时要考虑采暖空调对象建筑物的同时使用系数。同时使用系数的取值与建筑物类型 有关，与建筑物的数量有关，需通过理论计算和实测确定。《住宅建筑空调负荷计算中同时使用系数的确定》列出数据是：当住户〈100户时，该系数为0.7；当户数为100～150户时， 为0.65～0.7；当户数为150～200户时为0.6。
五、结束语
从以上分析可知，水源热泵系统是一种可靠、经济、节能的采暖方式。不仅如此， 由于它使用清洁能源，由于它节能效果明显，节能就是环保，在电力已进入买方市场的条件下，在人民生活条件迅速改善的条件下，水源热泵无疑将是一种受大家欢迎的采暖空调方式 。
［1］李先瑞、郎四维住宅采暖、空调方式的控讨1999
［2］中国工程院兖州兴隆矿采暖空调联供方案可行性分析报告1999
［3］北京爱华冷气公司美国怡风水源热泵机组1999
［4］张蓓红、蔡龙俊住宅建筑空调负荷计算中同时使用系数的确定建筑热能通风空调1999.1
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