爱华网1. 引言 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，顾名思义，热泵也就是像泵一样，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、生产废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节省部分高位能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。热泵包括了使用土壤、地下水和地表水作为低位热源（或热汇）的热泵空调系统，即以地下水为热源和热汇的热泵系统称之为地下水热泵系统；以地表水为热源和热汇的热泵系统称之为地表水热泵系统。1997年以后由ASHRAE统一为标准术语—地源热泵[1]。 地下水源热泵诞生于20世纪30年代。凯姆勒(kemler)和奥格勒斯贝(Oglesby)在他们所著《热泵应用》一书中提到，到1940年美国已安装了15台大型商业用热泵，其中大部分是以井水为热源。 我国热泵的研究开始于20世纪50年代，天津大学热能研究所开展了我国热泵的最早研究。1956年吕灿仁教授的“热泵及其在我国应用的前途”一文是我国热泵研究现存的最早文献。1965年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水源热泵空调机组。进入21世纪后由于我国快速城市化，促进了热泵在我国的应用越来越广泛，热泵的发展十分迅速，热泵技术的研究不断创新。2000年至2003年间，热泵的应用研究空前活跃，硕果累累，全国各省市几乎均有应用热泵技术的工程实例。 陕西某大学新校区位于西安市长安区郭杜镇，总建筑面积为11万平方米。采暖面积约为8.53万平方米，总热负荷为5100KW；总制冷面积为2万平方米，总冷负荷为3600KW。利用校园内现有的一口地热井、两口冷水井作为热、冷源，结合热泵技术来满足新校园区采暖、制冷需求。 2.供暖与制冷 2.1设计参数 西安市属于寒冷地区，位于北纬34.18°，东经108.56°，海拔高度396.9m，夏季空气调节室外计算干球温度：35.2℃，冬季空气调节室外计算干球温度：-8℃，夏季空气调节室外计算湿球温度：26.0℃，全年室外干球温度基本保持在-9℃～38℃之间。高温天气出现在夏季的6、7、8月份，最高气温达到37.9℃。低温天气出现在冬季的1、2、12月份，最低气温达到-9℃。全年绝大部分时间的温度分布集中在0℃~30℃之间，极端高温和极端低温的天气持续时间比较短暂。室外计算相对湿度为冬季67%，夏季室外平均风速为2.2 m/s，冬季室外平均风速为1.8m/s。根据西安地区设计用室外气象参数，最低设计室外温度—5℃，以及国家有关暖通、空调的相关规范[2]，结合该校提供的相关资料，按住宅室内温度达18℃±2℃进行设计。该校现有2018米地热井一眼，出水温度70℃，出水量80m3/h；200米冷水井两眼，出水量为80m3/h。 2.2供暖与制冷原理 水源热泵系统冬季供暖原理图如下图1所示： 图1冬季地下水源热泵系统工作原理图 水源热泵系统夏季制冷原理图如下图2所示： 图2 夏季地下水源热泵系统工作原理图 地下水源热泵地下水总水量的确定是基于建筑物空调冷负荷与热负荷的。热泵地下埋管最大释热量与最大吸热量的确定也是基于建筑物空调冷负荷与热负荷的。由此可见，建筑物空调冷负荷与热负荷是地源热泵空调系统设计中重要的基础资料，其冷负荷与热负荷指标见表1和表2所示[3]。其指标值是指单位面积指标，当只知道建筑总面积时，其采暖(制冷)指标可参考其数值进行方案设计估算。 表1 采暖热指标 建筑物 类型住宅办公楼医院、幼儿园旅馆图书馆商店单层住宅食堂餐厅影剧院大礼堂体院馆 热指标 (W/m2)45～7060～8065～8060～7045～7565～7580～105115～14090～115115～160 表2 冷负荷指标 建筑物 类型旅馆办公楼图书馆医院商店体育馆计算机房数据处理剧院会馆 冷指标 (W/m2)80～9085～10035～4080～90105～125105～135190～380320～400120～160180～220 水源热泵系统的主要组成包括中高温水源热泵机组、常温水源热泵机组、冷却塔、板式交换器、水泵等组成部分。根据上述原理图应用热泵技术，既可供暖又可制冷一机多用，将采暖和制冷分期实施，并对地热井进行综合梯级利用。 通过一台流量80m3/h和扬程50m的水泵或者两台出水流量各为50m3/h和扬程50m的水泵，将储水池中46℃的地热水通过分水器采用地覆盘管供应学生公寓、教学楼供暖面积3.5万m2。冬季采暖室外设定温度为—5℃，住宅楼和教学楼室内采暖温度设定为16—20℃。采暖供水回水温度：一次水70℃/60℃，流量60m3/h;二次水60℃/46℃，流量40一50m3/h。地覆采暖供水温度46℃，回水温度32℃，供水流量一般采暖期80m3/h。 2.3水源热泵的经济性分析 水源热泵供暖系统运行费用包括耗电费用，用水费用以及其它费用。其年运行费用统计结果见表3所示。 表3 水源热泵年运行费用 机组功率 （kwh）电价 (元/kwh)用水量
(吨/时)用水量 (吨)价格 (元/吨)费用(元) 耗电费用热泵639.50.61105056 补水泵7.50.612960 用水费用热水费602.5432000 其它水费1600 3.45440 其它费用人工费27000 维修费15000 合计1597456 注：采暖期按120天计算 采暖期各项费用合计1597456元。学生公寓、教学楼等采暖建筑面积约为7.7万平方米，住宅小区建筑面积3.4万平方米，合计供暖建筑面积约为11万平方米，按此面积均摊后供暖成本为每平方米每月3.6元。 方案二为传统的区域集中供热方式。本工程的区域集中供热投资可以按照0.20元/W来计算，总热负荷为5100KW，因此，该工程采用区域集中供热的初投资为102万元。方案二的年运行费用可以直接按照面积指标来进行计算，采暖面积指标按照25元/m2来计算[4]，该工程实例的总供热面积为8.53万m2，因此，通过计算可得冬季采暖期的运行费用为213.25万元。方案三热源为天然气锅炉供暖两台。一个采暖期运行成本为 23元/ m2 (人工、折旧、维修等其它费用不计)，则采用天然气锅炉采暖年运行费用为255.3万元。 该校热力中心采暖和制冷设备一次性投资约500万元。经过对三种供暖方案的运行费用的成本分析：运用热泵技术一次性投资费用高，但运行成本低，六年内就能收回投资，而且低噪音、无污染，既节能又环保。 4.结语 从水源热泵的整个运行原理来看，水源热泵系统实际是真正意义上的绿色环保空调，不管是冬季还是夏季的运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。而且系统既能冬季采暖，还能提供生活热水。 从以上分析可以看出利用地下水源热泵空调系统方案，与传统方案相比，都具有明显的经济优势。一般来说，水源热泵系统的运行费比其他方案的运行费节约30%～40%。比较发现水源热泵系统尽管初投资较常规的供暖系统高，但其年运行费用要低于常规供暖系统，采用该系统后，由于其耗电量较低，则系统的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放量将大为减少，减少了城市污染，具有巨大的社会环境效益和经济效益。 参考文献 [1] ASHRAE. 地源热泵工程技术指南[M].徐伟等译. 北京：中国建筑工业出版社.2001 [2] 中华人民共和国建设部. 地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）[S]北京：中国建筑工业出版社.2005 [3] 包晗. 地下水源热泵系统经济性分析与工程应用研究. 大连理工大学硕士论文. 2007 [4] 钱普华. 地源热泵系统经济分析. 华中科技大学硕士论文. 2003
