水源热泵--一种经济、节能、可靠的空调能源方式
中国建筑科学研究院空调所 李先瑞 郎四维

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

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q�璈为31.82W/m2，设计热负荷指标 为q为43.82W/m2，节能建筑q�璈为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η��1为0.85，锅炉效率η��2为0.55，节能供 热系统η��1为0.9，η��2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

*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

*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

*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

各方案初投资的比较 表6

*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/m2) 表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

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

运行参数* 表10

〖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 。

主要参考资料

［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