地表水水源热泵系统应用实例分析
摘要： 某研发基地建筑规模9.5万平方米，主要用途为科研、开发、仓储、办公用房及实验住宅等配套设施。根据基地实际情况及院有关部门的意见，考虑环保要求，拟利用地表水水源热泵系统进行供暖和供冷。
关键词： 水源热泵 地表水 水体温度变化 供冷供热能力
1 工程概况
某研发基地位于北京市通州区内，可建用地580亩，利用废坑塘注水造水面约150亩。建筑规模9.5万平方米，主要用途为科研、开发、仓储、办公用房及实验住宅等配套设施，大致分配比例为：研究与开发-建筑面积10万平方米，实验住宅-3万平方米，公建-0.74万平方米，市政-0.22万平方米。根据基地实际情况及院有关部门的意见，考虑环保要求，拟利用地表水水源热泵系统进行供暖和供冷。
2 利用水源热泵的可行性及水源热泵系统的选择
地表水水源热泵系统是地源热泵系统中的一种，是以地表水作为冷热源的供暖供冷系统。由于其环保性和节能性，近期在国内外都得到了大力推广和应用。
地表水易受污染，泥沙、水藻等杂质含量高，水表面直接与空气接触，水体含氧量较高，腐蚀性强，如果将地表水直接供应到每台热泵机组进行换热，容易导致热泵机组寿命的降低，换热器结垢而性能下降，严重时还会导致管路阻塞，因此不宜将地表水直接供应到每台热泵机组换热。而如果将地表水和建筑内循环水之间是用换热器分开，热交换器采取小温差换热的方式运行，这样就可以用廉价的换热器保护了昂贵的水源热泵机组，如果建筑物之间存在热回收的可能的话，这种系统形式也可以自动在各建筑间进行热回收，但由于存在换热温差，造成不能充分利用地表水的能量的问题。当地表水流量或温度不能满足使用要求时，可以采用一些辅助设备，如冬季用锅炉，夏季用冷却塔作为调峰设备，也可以帮助系统达到使用要求。
根据北京市的气象、水文条件，夏季北京市地表水平均温度一般为25~27℃，以换热器5℃温差考虑，则热泵机组夏季的进水平均温度不会高于32℃，如果夏季热泵的冷却水侧进出口温差为5℃，则热泵机组出水温度不到37℃，根据热泵机组的技术要求，这时的冷却水供回水温差是能够保证夏季热泵机组制冷正常运行的。
在冬季，北京市地表水平均温度一般为4℃左右，以换热器2℃温差考虑，则热泵机组冬季的进水温度不会高于2℃，以冬季热泵的冷冻水侧进出口温差为5℃考虑则热泵机组出水温度不到-3℃，则须在循环水中添加防冻液。而此时热泵机组制热工况下的C.O.P.值约在2~3之间（不同厂家生产的机组之间C.O.P.值略有差别），而C.O.P.值越高，热泵机组的制热能力越高，当地表水温度过低（低于4℃），或地表水量不足时，需考虑采用其它辅助热源如锅炉加热热泵机组的冷冻水循环水，以保证热泵机组在较高的制热能力下运行。采用辅助热源如锅炉加热热泵机组的冷冻水循环水与用锅炉直接供暖等常规供暖形式相比在节能上是没有优势可言的，但是采用辅助热源只是在地表水温度过低，或地表水量不足等极端条件下才采用，一般来讲这种情况发生的天数很少，甚至不发生，从整个采暖季来考虑采用水源热泵机组供热与上述常规供暖方式相比还是节能的，这将在下文中给与进一步的分析。
就系统末端装置的形式而言，水源热泵系统又分为集中的大型水-水水源热泵机组+风机盘管和分散的水-空气水源热泵机组形式。水-水水源热泵机组最终产出的是冷热水，该类型机组相对较大，一般整个工程设一个水源热泵机房，所产出的冷热水通过泵输送到各单体建筑，根据需要也可以在各单体建筑内设置水-水水源热泵机房，将与地热水换热后的循环水输送到各单体建筑，各单体建筑的水-水水源热泵机组产出冷热随后再通过水泵输送到楼内各个空调区域，通过风机盘管和空气处理机组将冷热水中的能量输送到各个房间。水-空气水源热泵机组是一种直接蒸发式的机组，该类型机组相对较小，一般根据各个区域的使用功能和使用要求划分成很多的小型系统，循环水在中央水泵房中换热后通过水泵输送到各单体建筑中的机组中，空调区域的回风通过机组加热/冷却后被送出，能量不需要二次输送，因此不再另行需要其他诸如风机盘管等的热湿处理机组。两种系统各有自己的特点。水-水水源热泵系统是一种更为集中的空调方式，国内已有生产，由于机组较为集中因此水源热泵机组初投资较小，但热泵机组需要在建筑中设置专用的机房；水-空气水源热泵系统相对分散，目前成熟产品主要为国外品牌，机组初投资略高，但其室内的循环水管不需要保温，由于机组分散到末端，所需机房面积也较小。就系统的综合造价而言，水-空气水源热泵机组较贵，但水-水水源热泵系统所需的风机盘管和空调箱、保温费用、多占机房带来的费用增加，综合投资虽然水-空气水源热泵机组形式较贵，但二者相差不大。从运行上来看，由于水-水水源热泵机组的能量调节只能分有限的级数进行，而且要同时供冷供热就必须采用四管制，因此比较适合于作息时间比较统一，负荷比较一致的场合；水-空气水源热泵机组自带温控器，可以根据使用要求进行独立的调节和运行，还可以在两管制的情况下实现四管制才有的同时供暖供冷的功能，因此比较适合作息时间多样化且使用要求也比较多样的商用和公用建筑。
根据以上所述水源热泵系统的特点，结合本工程的具体情况，我们认为应采用集中的大型水-水水源热泵机组+风机盘管的形式，原因如下：
1.1 该种形式的水源热泵系统所采用的设备在国内均有成熟产品，在价格和售后服务方面更易得到保障。
1.2 由于末端水-空气水源热泵机组带有压缩机，在噪音控制方面较为不利，考虑到科研办公对环境的噪音要求比较高，因此采用只有风机而不带压缩机的风机盘管作为末端设备更为有利。
1.3 由于北京地处北方，冬季空调计算温度低达-12℃，由于水-空气机组对进风温度有要求（一般不低于5℃，否则低温保护将启动），冬季新风的处理必须使用电加热预热，在地表水充足的情况下不能有效利用免费的地热资源。
3 冷热负荷估算及水流量的可行性
根据规范，北京地区的空调室外计算参数如下：
年平均温度11.4℃
冬季空调室外计算干球温度-12℃
冬季通风室外计算干球温度-5℃
冬季空调室外计算相对湿度45%
夏季空调室外计算干球温度33.2℃
夏季通风室外计算干球温度30℃
夏季空调室外计算湿球温度26.4℃
研发基地建筑物的室内设计参数初步定为：
夏季室内设计温度为25-27℃，室内相对湿度小于60%；
冬季室内设计温度为18-20℃，室内相对湿度不做要求。
初步估算本工程设计冷负荷指标约为100W/m2，设计热负荷指标约为50W/m2，按照一期10万平方米计，同时使用系数定为0.9，则合计空调系统冷负荷为9000 kW，热负荷为4500 kW。假定水源热泵机组制冷工况下的C.O.P.值约为4.3，制热工况下的C.O.P.值约为2.6，则地表水在制冷工况下需带走的热量为11093 kW，在制热工况下需提供的热量为2769 kW，。
根据《研发基地简介》，废坑塘注水造水面约150亩，水深平均为3.5 m，该水体的总蓄水量为3.5×105 m3。考虑基地的夏季空调每天运行12小时，每天向水体的散热量为Q=11093 kW×12h×3600=479×106kJ。水体的温升为Q/CM=479×106/(4187×3.5×105)=0.33℃。以换热器5℃温差考虑，带走11093 kW热量所需水流量为：G=0.86×11093×1000/(1000×5)=1908 m3/h，整个水体全部循环一次约需175小时，约合7天左右。由此可见夏季水体温升很小，考虑到水体与空气和大地热交换，水体温升则更小甚至可以忽略。
而基地冬季空调要以每天运行24小时考虑，冬季每天从水体提取的热量为Q=2769 kW×24h×3600=239×106kJ。北京地处寒冷地区，地表水会结冰，结冰期冰层厚度以较为保守的100cm考虑，则水深平均降为2.5 m，该水体的总蓄水量为2.5×105 m3，水体的温降为Q/CM=239×106/(4187×2.5×105)=0.23℃。以换热器2℃温差考虑，带走2769 kW热量所需水流量为：G=0.86×2769×1000/(1000×2)=1191 m3/h，整个水体全部循环一次约需210小时，约合9天左右。由此可见，与夏季相比冬季水体温降更小，所需水量与水塘能够提供的有效水量相比也是较小的，考虑到水体与空气和大地的热交换，水体温降则更小甚至可以忽略。
考虑到冬季有可能出现持续低温，水量减少，导致水体温度过低，水量过小的极端情况，为保证这种情况下的正常供热，需考虑采用辅助热源提升热泵机组冷冻水的温度，根据该基地的实际情况，辅助热源可以考虑采用燃气锅炉的形式，以最极端的条件，即地表水已经完全不能提供热量，所有热量均由燃气锅炉提供，锅炉的供回水温差以25℃考虑，则锅炉生产的热水带走2769 kW热量所需水流量为：G=0.86×2769×1000/(1000×25)=95 m3/h。
另外，上述水流量等参数均以整个基地为一个整体来考虑，在实际建设时，为方便调节和管理，可以将相同或相似功能的单体建筑，分别建设动力站，这样水泵、锅炉、换热器等设备的规格参数就会有所减小。
从上述分析可见，根据已知的条件，该研发基地采用地表水水源热泵系统是可行的。
4 水源热泵系统对环境的影响
根据水源热泵系统的原理可知，地表水水源热泵空调系统对地表水的利用仅限于热量的提取和转换，并在使用过程中严格限制对地表水进行任何的化学处理，有限的处理也仅限于对其进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理，地表水的成分在整个使用过程中没有发生任何变化。在严格遵循以上原则的前提下，水源热泵系统的运行也不会带来所在区域地表水污染的问题。
在系统设计和施工合理，且地表水水源热泵系统正常使用的前提下，一般不会对环境造成负面影响。
5 技术经济分析
5.1 夏季工况
地表水水源热泵空调系统夏季运行方式和原理与最常用的水冷冷水机组空调系统是极为相似的，从设备使用上看，水源热泵空调方式的冷却水系统不再使用冷却塔进行冷却，而是依靠水塘进行冷却，因此从初投资来看，水源热泵空调系统省去了冷却塔的设备投资。
从运行费用方面来看，由于水源热泵空调方式的冷却水系统依靠水塘进行冷却，冷却效果较冷却塔冷却要好，因此水源热泵空调方式的C.O.P.值可能会比常用的冷却塔进行冷却的水冷冷水机组空调系统要高一些，但是运行费用节省并不明显。
5.2 冬季工况
应基地要求，结合地表水水源热泵空调系统的实际情况，主要针对系统的供暖运行费用进行技术经济比较。根据当地能源条件，主要就燃气区域锅炉房+散热器系统和地下水水源热泵+风机盘管系统的供暖功能就整个10万平方米的一期工程进行技术经济比较。
运行费用比较
根据有关资料，北京地区冬季空调负荷分布假定如下：平均空调负荷在90%的运行时间占全部运行时间的15%；平均空调负荷在60%的运行时间占全部运行时间的30%；平均空调负荷在30%的运行时间占全部运行时间的55%。北京市的供暖时间根据规范为129天。北京地区电价按照0.60元/度计算，北京地区燃气锅炉房供热价按照35元/m2计算。
本次计算中假定地表水和系统冷热水都是定流量运行，每栋建筑风机盘管的运行调节规律与空调负荷的分布情况一致，水源热泵机组的使用按照60%满负荷进行计算。
计算得到下表数值：
项目 数量 单价
（万元） 总价
（万元）
水泵耗电 500千度 0.06 30
热泵机组耗电 2700千度 0.06 162
风机盘管、新风机组耗电 320千度 0.06 19.2
人员工资、物资运输等费用 10
合计221.2万元
由表中得出，地表水水源热泵系统+风机盘管系统每供暖季的运行费用约为22.1元/m2。
6 结论与建议
6.1 在现有条件下，可以采用地表水水源热泵系统，并做好过滤和除氧防腐工作（仅限于物理处理）。
6.2 在系统设计和施工合理，且地表水水源热泵系统正常使用的前提下，一般不会对环境造成负面影响。
6.3 考虑到冬季有可能出现持续低温，水量减少，导致水体温度过低，水量过小的极端情况，为保证这种情况下的正常供热，需考虑采用辅助热源提升热泵机组冷冻水的温度，根据该基地的实际情况，辅助热源可以考虑采用燃气锅炉的形式。
6.4 根据初步估算，采用地表水水源热泵系统供暖气其运行费用为22.1元/m2，低于燃气锅炉房供热价35元/m2。整个基地年节省运行费用约186.2万元。
参考文献
徐伟等. 地源热泵工程技术指南. 北京：中国建筑工业出版社，2001
陆耀庆. 实用供热空调设计手册. 北京：中国建筑工业出版社，1994