摘要：本文介绍了水源热泵和土壤源热泵的概念和工作原理，分析了我国地热空调的应用方式，阐述了水源热泵空调系统在崇明小区工程中应用的优点和经验，并介绍了地热空调热泵技术在节能环保上的优势及推广应用中需要注意的一些问题。
关键词：水源热泵 土壤源热泵 节能 环保 经济性 能耗分析 运行费用
引言
随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，采暖、空调、生活用热的需求越来越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。在发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量颜冀ㄖ?镒苣芎牡?0%—50%，特别是冬季采暖的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。地热空调是一种高效节能环保设备，与燃油（煤）锅炉采暖系统相比节能达30%——40%。地热空调以绿色环保制冷剂为工质，除用少部分电能外，采暖、供热的热量主要来自于吸收了约47%的太阳能的地下水或土壤、江河湖水，由于实行封闭循环，因此整个系统无有害物质排放。地热空调技术解决了普通空调冷凝温度高的问题，更加适合用于建筑物采暖、空调、供热热水系统，替代供热锅炉，有效改善城市的生态环境，减少由于使用燃煤、燃油锅炉引起的有害气体的排放，提高大气环境质量，减少因有害物质引起人们疾病的发生，充分利用可再生资源和节约常规优质能源，有利于社会的可持续发展。可见地热空调具有良好的经济效益和社会效益，其市场前景广阔。
一、空调采暖节能的意义
建筑节能是关乎我国国民经济可持续发展的重要战略举措。近年来，我国建筑大规模迅速扩大，每年新建房屋17-18亿m²,据统计，目前全国已建公共建筑面积就有40亿m²，其中采用集中空调的建筑面积约为5-6亿m²，若按节能标准进行改造，总节能潜力相当于1.35亿t标准煤。而在公共建筑总能耗中，暖通空调能耗约占60%-65%。由此可见，暖通空调的节能力度将直接影响着我国建筑节能整体目标的实现。
二、新型节能环保空调
在我国传统的舒适性室内环境控制技术中，北方一般以燃烧煤锅炉解决冬季取暖问题，南方则以水冷机组解决夏季空调制冷问题。20世纪80年代后，经济的高速发展和人们生活水平的迅速提高，对供热和空调的需求快速增长，对室外环境质量的要求也不断提高，供热、制冷的方式越来越多样化。从可持续发展的角度看，采暖空调用能必须提高能源利用效率，努力寻找可再生的能源，地热空调就是一种节能环保型的新型空调。
三、地热空调技术原理及分类
地热空调系统可工作在制冷工况和供热工况。它的原理（如图1所示）与普通的热泵系统基本一样，如果说普通热泵系统是把地球表面空气或建筑内部水环作为取热放热的对象，而它则是把土壤、地下水或地表水作为取热放热的对象。
地热空调按传热方式可分为：大地直接换热式、大地耦合式热泵系统（埋管式土壤源热泵系统）、地下水循环式热泵系统、地表水源热泵系统。它们有如下特点：
（1）大地直接换热式热泵系统
热泵机组的室外机组直接埋设于地下土壤中，制冷剂直接与土壤进行换热，此种形式热损失最小，热泵效率高，还可以节约10%左右的介质循环泵用电，节能效果好，但存在室外盘管安装维护困难，土壤腐蚀等问题。仅在小型系统中少量采用。
（2）大地耦合式热泵系统
大地耦合式热泵系统又称埋管式土壤源热泵系统。其以水、盐水或水乙二醇溶液作为介质（冷热量载体），在埋于土壤源内部的换热管道与热泵机组间循环系统实现机组与大地土壤之间的热量交换。这种形式多了一次换热过程，传热损失增加，热泵效率比前者降低。但地下换热器形式可以灵活处理，规模不限，安装要求不高，这种形式应用较为普遍，且有垂直埋管和水平埋管。
（3）地下水循环式热泵系统
这种系统由抽水井将地下水抽出，通过板式换热器或直接将水送到热泵机组。经提取热量或释放热量后，由回灌井回灌入地下，由于地下水的温度相对稳定，水的换热性能优于土壤的性能。因此，地下水作冷热源的热泵系统性能比前二种性能都要优良。但是由于地下水状况的复杂性，回灌技术对地下水资源污染等问题，使地下水源热泵系统的应用受到一定限制。
（4）地表水源热泵系统
地表水源热泵系统是利用江河湖泊的水作为机组冷热源，按地表水与机组的换热方式不同，又可分为多种形式，由于地下水的温度一般都好于地表水，该方式热泵循环的效率低于地下水水源热泵系统。但是，地表水一般来说取用排放均较方便。
四、工程实例的分析与比较
（一）工程概况
本工程是崇明某生态住宅小区总规划建筑面积93490m²，其中，住宅建筑48230m²，原住宅建筑面积10000，住宅户数473户，住宅人数1514人。
空调系统冷热源方案和可行性分析
空调系统冷热源方案
本工程水源热泵系统原理如图1所示。冬季，工质通过板式换热器从河水中吸收热量，通过热泵系统的冷凝器加热空调系统的循环水，向用户供暖。夏季工质通过板式换热器从河水中排出热量，通过热泵系统的蒸发器吸收空调系统循环水的热量，向用户供冷。由于冬季江水温度较低，为了提高换热效果，直接利用江水和板式换热器进行换热。为了得到更低的蒸发器温度，工质采用乙二醇溶液。
（二）水源热泵方案可行性分析
首先，崇明某生态住宅小区紧靠长江（距江堤约1000米），江堤附近的河面开阔，根据最低和最高水位的实际情况，引水管的取水口的安设位置对航道不会造成影响，因此，水源热泵具备利用长江水资源的条件。另外，小区附近有一条通向长江的排水明渠，可直接利用其排水，只需设一根引水管，可减少取水管道的初投资。其次，根据上海市的气象、水文条件，夏季长江水最高月（8月）平均温度一般为27.6-28.0℃，以换热器5℃温差考虑，则热泵机组夏季的进水平均温差不高于33℃，如果夏季热泵的冷却水侧温差为5℃，出水温度不高于38，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。在冬季，崇明长江水最低月（2月）平均温度一般为5.6-6.7℃左右，以换热器2温差考虑，则热泵机组出水温度不到-1.4℃，则须在循环水中添加防冻液。考虑到长江水泥沙、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。因此本工程将长江水和冷凝器或蒸发器的循环水之间是用热交换器分开，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昂贵的水源热泵机组。从而得出结论，此方案可行。
（三）水源热泵系统方案技术经济分析比较
根据住宅和商业的负荷情况及小区的建设特点，冬、夏均由水源热泵机组来承担空调负荷，夏季为末端提供7/12的冷冻水，冬季为末端提供50/40℃的热水。系统方案经济分析计算初投资和运行费用与常规空调系统（电制冷+燃气锅炉）进行分析比较。
设计参数
小区内住宅设计为节能建筑，单位建筑面积的冷负荷和热负荷分别按45 W/m²和40 W/m²进行概算，系统冷热负荷概算结果见表1。
表1系统冷热负荷概算表
功能建筑面积（m²）单位冷负荷（W/m²）设计冷负荷（KW）单位热负荷（W/m²）设计热负荷（KW）
住宅58230452624.4402332.8
1.设备选型和初投资
（1）水源热泵机组
本方案采用2台水源热泵机组（单台制冷量为1312KW、制热量1257KW），用于夏季供冷和冬季供热。主要设备和初投资选型表如表2。
（2）燃气锅路+冷水电制冷机组
本方案采用2台螺杆式冷水机组（单台制冷量为1406KW），用于夏季供冷，2台燃气锅炉（单台制热量为1400KW），用于冬季供热。主要设备选型表如表3
运行费用分析。
年运行费用主要按冬夏两个季节计算，夏季运行按照每天运行18小时，运行150天；冬季每天运行18小时，运行90天算。综合考虑设备同时使用系数0.8。
本工程上海地区的电价政策：06：00-22：00—0.61元/ KWh，22：00-6:00—0.30元/KWh,天然气2.2元/m³,据此，进行年运行费用分析。其结果如表4所示。
表2水源热泵空调系统主要设备选型和初投资
序号设备名称设计参数单位数量单价（万元）合价（万元）
1水源热泵机组制冷量1312KW制热量1257KW台297194
2负荷循环用板式换热器夏季换热量1440KW冬季换热量1380KW台21938
3河水用板式换热器夏季换热量1690KW冬季换热量1000KW台22754
4乙二醇泵电功率22 KW台23.67.2
5板换一次侧负荷循环泵电功率30 KW台23.67.2
6板换二次侧负荷循环泵电功率45 KW台21.653.3
7河水泵电功率55 KW台22.14.2
8钠离子交换器处理水量6 m³/h套14.24.2
9软化水箱有效容积3.02m³台10.620.62
10冷冻水用落地膨胀水箱（一罐两泵）功率N=7.5 KW套14.54.5
11乙二醇用落地膨胀水箱（一罐两泵）功率N=1.1 KW套12.82.8
12自动反冲洗过滤器处理水量900 m³/h台11.21.2
小计（万元）321.22
13河水构筑物（万元）15
14引水管道（万元）90
15安装费（万元）80
16自控（万元）25
17合计（万元）531.22
注：设备的初投资是根据设备厂家的报价计算
表3燃气锅炉+冷水电制冷机组主要设备选型表
序号设备名称参数数量单价（万元）总价（万元）
1螺杆式冷水机组制冷量1406KW2台84.6169.2
2燃气锅炉制热量1400KW2台2754
3冷冻水泵电功率45 KW2台1.653.3
4冷却水泵电功率45 KW2台1.63.2
5冷却塔流量L=350 m³/h2台10.220.4
6热水循环泵电功率45 KW2台1.12.2
7钠离子交换器处理水量6 m³/h1套4.24.2
8软化水箱有效容积3.02m³1台0.620.62
9冷冻水用落地膨胀水箱功率N=7.5 KW1套4.54.5
10安装费261.62
11自控15
12燃气管道及设施60
13合计416.62
表4年运行费用分析表
设计日负荷率设计运行天数水源热泵机组燃油（汽）锅炉=冷水机组
夏季冬季夏季冬季夏季冬季
万元/年万元/年
100%1598.976.339.599.64
75%754541.9028.9444.6243.57
50%452719.8012.5120.7717.77
25%1593.302.083.462.96
小计1509073.9849.8678.4473.95
合计240123.84152.38
2.经济比较
通过对两种空调方案的初投资及运行费用分析，结合两种不同空调方案的特点，分析结果如表5
表5两种方案初投资及运行费用比较
项目（A）水源热泵（B）常规空调（C）费用差额（B-C）
初投资(万元)531.22416.62114.6
单位建筑面积初投资（元/m²）91.2371.5519.68
年运行费用(万元)123.84152.38-28.54
单位建筑面积年运行费用（元/ m²）21.2726.18-4.91
投资回收期（年）4
从以上两种方案系统的初投资与运行费用综合分析结果得出：
（1）初投资
水源热泵空调系统冷热源部分单位建筑面积的初投资为91.23元/m²。常规空调系统冷热源部分单位建筑面积的初投资为71.55元/m²。
（2）年运行费用和投资回收期：
水源热泵机组单位建筑面积的年运行费用为21.27元/m²,比常规空调降低23%。其投资回收期为4年。水源热泵空调方案在投资回收期过后，每年为业主节省的运行费用，即为净利润。系统按15年运行期考虑，因节省运行费用而产生的总利润为334万元；且水源热泵系统所需要维护的设备较少，维护费用更低。更重要的是此方案仅限于对长江水进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理，不会给长江水造成污染。
五、结论与建议
（1）地源热泵空调系统具有高效、节能、环保的优点；同时，地源热泵空调系统技术和产业化已经成熟，如：工程实例崇明生态小区就利用自身存在的地理优势，通过科学的设计，减少了初投资，且运行费用比常规空调要低，年节省运行费用28.54万元
（2）选用水作为地源热泵的低位热源时，其空调系统必须靠近水源或蓄水装置。如果用井水作为热泵空调的低位热源时，必须采用井水回灌的方法，使用过的井水应回灌到原含水层中，以防止地面的沉降，并应注意回灌水对地下水有无污染。注意对水质的要求，防止出现换热设备，管道的腐蚀等问题。
