住宅建筑热泵的热源选择

彭 丽，胡林龙

（1.四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000；2.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610000）

1 引言

以目前的城镇化速度，预计到2020年［1］，全国总建筑面积将达到700亿m2，建筑能耗作为满足建筑功能和建筑舒适性服务所必需的能耗，目前在我国总能耗中已占到19%～20%，但仍然低于发达国家30%～40%的平均水平，因此我国建筑能耗对能耗总量的相对值和建筑能耗的绝对值都面临持续增长的压力。根据欧美的统计数据［2］，每套住宅建筑面积为109m2，平均能耗折标准煤，其中采暖空调占65%，供热水占15%，照明、电视占14%，烹饪、洗衣占6%，按此计算，住宅建筑采暖空调年耗能折标准煤23.8kg／m2，可见采暖空调的节能是住宅建筑节能的其中一个突破口。

我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭，矿物燃料燃烧产生的大量污染物，造成了环境的污染。因此，急需发展其他的替代供热方式，热泵是有效节省能源、减少大气污染的供热和空调新技术。热泵能够充分利用可再生能源。热泵利用的低温热源通常来自环境（大气、地表水、地下水和大地）或各种废热，由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。

不同的热源，其供热特点、使用要求、需要设备类型、土建工程量、后期维护等均有较大不同，应根据所处位置、气候、地址条件和住宅建筑的暖通空调使用特点进行选择。

2 住宅建筑热泵的特点

住宅建筑的暖通空调耗能特点主要包括住宅建筑在空间分布上是大分散，小集中，在耗能时间段分布上是相对集中的。小区与小区之间有一定的间距，较为分散，小区内建筑之间则相对集中，空间距离小。由于气候原因，同一地区在采暖和制冷的时间段上是相对统一的；相比较大面积的工业使用和共用建筑而言，住宅建筑单套面积和空间较小，易于达到设定温度。根据研究［3］，冬季室外空气温度在大部分地区为－10～20℃，人的热舒适温度稳定在14～18℃，夏季室外空气温度为24～38℃，人的热舒适温度稳定在24～28℃，供热制冷量相对较少、热泵运行时间较小；稳定性和安全性要求较高。对于用于有较多老人和儿童，并且人的停留时间最长的住宅建筑而言，热源和系统的稳定性和安全性要求较高。

2.1 空气源

空气源热泵是以空气作为高温（低温）热源来进行供热（供冷）的装置。相对于其它热泵类型而言，我国对空气源热泵的研究起步较早，研究内容也较多。空气源热泵则安装灵活、使用方便、初投资相对较低，且比较适用于分户安装，目前我国室内空调器大都采用的是这种形式。

但是，空气源热泵也存在明显的不足，空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大，随着室外环境的恶化而恶化。夏季随着室外空气温度的升高，制冷负荷增大，但热泵系统冷凝温度升高，热泵温差增加，机组整体效率降低；冬季随着空气温度的降低，供热负荷增大，而蒸发温度随之降低，热泵温差增大，导致机组整体效率降低。同时，随着室外条件的恶劣，热泵的工作性能急剧下降，又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。

空气源热泵另一个突出的问题是蒸发器冬季结霜问题。这不但导致系统供热性能的急剧下降，还将对压缩机等重要部件产生不良影响（如冰堵），严重时将损坏压缩机，使系统不能正常运转，同时，结霜还将使机组运行费用增加。尽管我国在这方面已经做了很多研究工作，但关于结霜的控制措施及除霜技术的研究方面，还需要进一步进行深入研究和实验论证。另外，目前空气源热泵机组中大都采用的是一些含CFCs或HCFCs的等具有臭氧破坏潜能ODP或地球变暖潜能GWP的制冷剂，对环境的负面影响较大。

空气源热泵满足住宅建筑分散性要求、单户一次性投资少，易于维护管理，主要应用于非寒冷地区，建筑物室内外温差不宜过大，在我国的东北、山东、河北、西安、内蒙等冬季室外温度过低的地区不宜在冬季用空气源热泵取暖。

2.2 地下（表）水源

水源热源分为地下水源和地表水源，地下水源在平原和地下水丰富地区应用较多，国内近几年［4］，在山东、河南、湖北、辽宁、黑龙江、北京和河北等地已有100多个地下水热泵工程项目，供热、空调面积达100万m2；地表水源在地表水资源丰富地区也有一定的应用，如在西南片区的重庆、成都等江河贯穿城市的地区。

地下水源热泵（Ground－Water Heat Pump，GWHP）系统的低位热源为地下水，热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热，提高品位后，对建筑物供暖，取热后的地下水通过回灌井回到地下，同时蓄存一部分冷量。夏季则生产井与回灌井交换。地下水的温度一年四季相对稳定，波动范围较小，是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更加可靠、稳定，保证了系统的高效性和经济性。

地表水源热泵则是将持续流动的地表水体作为热源，没有回灌和储热的步骤，靠地表江河自身的相对恒温性对系统供热。地下（表）水源热泵能应用于地下（表）水资源丰富的城市和地区，且小区应距离水源较近，因为过长的传输距离不仅导致工程量和投资的增加，也致使热量损失严重，采用地表水源还需要江河管理部门的许可和备案。

2.3 土壤源

地源热泵系统（Ground source heat pump systems）是由室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统3部分组成的供热空调系统，是利用水源热泵的一种形式。3个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与大地之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，单机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。此外，机组使用寿命长，结构紧凑，节省空间，维护费用低。建设部公布［5］的212个可再生能源建筑应用示范项目中有144个与地源热泵有关的项目，其中使用土壤源热泵技术的项目有47个，其项目总面积为337.56万m2，其比例位于地下水源热泵之后排在第2位。

地埋管换热器是土壤源热泵技术的核心和重要应用基础［6］。土壤源热泵埋管换热器传热，是一个十分复杂的非稳态传热过程。一方面，换热器的埋管方式、土壤特性、地下水文参数、回填材料以及地面气象参数都影响着换热器的传热过程；另一方面，地下埋管传热过程又与地面热泵机组的运行特性、建筑负荷相互影响［7］。地下埋管换热器主要分水平埋管和竖直埋管两大类。由于水平埋管换热器占地面积大，且传热过程受地表温度和大气温度影响较大，所以，在实际应用中往往多采用竖直埋管。

实际工程中，竖直地埋管换热器穿过不同地质层，涉及到土壤分层以及地下水的问题，且这两个因素对地埋管换热器换热性能有很大影响，所以竖直埋管涉及到详尽的地质勘探。工程常见的地热换热器钻孔直径为100～200mm，钻孔深度40～200m，需要动用大型钻机等，如遇地下水及岩石地层，则施工周期长，施工投资大。在系统的运行使用过程中，如果地下换热管发生破损和堵塞等情况，进行修复和重置的成本高，所以对埋地的设备构件等的质量和维修管理人员的专业素质要求高。

所以，对于地下水丰富、地质条件较差或地震多发地区，居住小区设备管理能力不足，土壤不宜作为热源采用，且不能很好地满足住宅建筑稳定性要求。

2.4 太阳能源

将在低温时集热效率较高的太阳能集热器和蒸发温度较高时系统效率较高的热泵系统相结合，采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源，这种太阳能与热泵联合运行的系统被称为太阳能热泵系统。

太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、无需开采费用、处处均可开发应用的特点，是清洁的可再生能源。除了供热之外，还可供生活热水，一机多用。在实际工程应用方面，美国及西欧各发达国家都已经建成了许多由太阳能热泵系统进行供热的公共及私人建筑，如美国丹佛公共学院北院等均取得了较好的效果。英国、德国等一些欧洲国家也都已经建成多座生态别墅，别墅中的全部生活热水以及采暖供热都由太阳能热泵提供，夜晚以及阴雨天则利用晴天时所储存的能量［8］。我国太阳能热泵主要应用在公共建筑物上，例如，北京奥运村和奥运场馆的生活热水和加热的能量都采用太阳能热泵供热系统［9］。但在私人住宅应用太阳能热泵方面的研究和应用，我国基本处于空白阶段。

太阳能热泵系统节能效果好、投资较水源和地源少、运行管理容易、一机多用等优点使其在供热方面具有较大的领先优势，但应用于住宅建筑暖通空调热泵系统的热源有两个问题：第一是仅能供热，不能制冷，夏季无法单独调节室内温度，需和其他热泵配合使用；第二是在日照少的高纬度地区、山地和年阴天数较多的地区无法充分供热。

2.5 污水源

污水源热泵技术是一项直接利用污水中能量的技术，它以工业污水、工业废水、污水处理厂2级或3级处理后的出水为热源提取热（冷）能量，实现热（冷）量的采集和利用以及由低位能向高位能的转化。

污水处理厂排出的再生水水温适宜，城市污水水温高且稳定，具有冬暖夏凉的特征，温度全年在10～25℃之间（一般夏季为17～22℃，冬季10～16℃），适合对建筑物冬季供热和夏季供冷。水量波动小，有利于热泵系统的高效、稳定运行，且热泵出水温度可在较大范围内调节，能够较好地满足不同地区的供暖需求。污水热能潜力大，我国每年污水排放量为464×108m3／年，可利用的热量可供采暖空调面积为5亿m2以上。以黑龙江省为例，2000年全年污水排放量为11.4×108m3／年，若考虑70%可用，可利用的热量可供暖面积为1 100万m2［10］。

但长途的传输，必会损失大部分的热量，导致热利用率降低，且增加一次投资成本和施工周期，也给后期维护管理带来不利因素，所以污水源适合作为工矿厂区附近、污水厂附近住宅建筑的热源，从而限制了其他住宅建筑使用污水源热泵。

2.6 一种适合住宅建筑的污水源

为了解决热量长途传输的弊端，也有人提出了在提升泵站和三级干管处设置污水热泵，或在小区附近的生化池设置污水热泵，以求就近取能供热［11，12］。

现在住宅小区的规模日趋变大，大部分城市生活污水在进入市政管网之前会经过小区生活污水处理设施（化粪池、厌氧消化池、生化处理设施）处理，这些污水处理的初级设施内的污水也可作为一种污水热源。林真国［13］等就从就近利用小区污水冷热能的角度出发，对重庆市主城区某居住小区生活污水的温度和流量进行了测试分析，提出了小区污水热泵系统应用于建筑空调、供暖和卫生热水供应的综合节能系统模式。2008年中国地源热泵发展研究报告［14］提出将污水源热泵系统设在城市居住小区或者单栋建筑的生化池附近，能够快捷地利用污水冷热能，便于将回收的污水热能就地实现利用的原则。

生化池污水在一般情况下具有水量足、稳定、水温高、施工和维护较地源热源容易的特点。一个生化池往往处理1～10栋住宅建筑排出的生活污水，一栋住宅楼的居住人数通常在100～500人之间，每人每天产生的生活污水，包括洗衣做饭，洗澡，卫生间等各部分约为200L，水量充足。小区生活污水处理设施的水温由于厨房和卫生间热水排放、污泥内部厌氧发酵等原因，较城市污水处理厂出水高，且出水比进水温度高。

但生化池污水量峰值与供热制冷的时间段上存在错位，且部分小区入住率不足，造成污水量变化大，供热量不足以满足所有面积的缺点。对于入住情况良好、小区人口较多，设置集中式生化池的住宅小区，可将生化池污水作为热泵热源的补充来源。

3 住宅小区热泵热源的选择

住宅小区热泵热源的选择原则是稳定、安全、低耗、易于管理和维护等。根据这些原则和住宅小区的不同情况，可按以下几条来选择热泵的热源。

（1）有余热污水排出的工矿厂区或稳定运行的污水处理厂附近的住宅考虑以污水作为热源。

（2）在地质条件合适、处于非地震带且施工、管理和投资满足要求的情况下，考虑选择土壤作为热源。

（3）在不满足第1、2条、地下或地表水资源丰富而稳定、施工管理和投资满足要求的情况下，考虑选择地下水作为热源。

（4）高原地区、日照强而稳定地区考虑以太阳能与空气配合作为热泵的热源。

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［14］徐 伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.