水源热泵技术在可再生能源建筑中的应用研究

孙宏伟

（江苏河海新能源有限公司，常州 213100）

水源热泵技术在可再生能源建筑中的应用研究

孙宏伟

（江苏河海新能源有限公司，常州 213100）

水源热泵技术是一种清洁能源节能技术，在建筑领域应用广泛。水源热泵技术具有良好的节能、经济和环保效益，在可再生能源建筑领域具有规模化应用前景。

清洁能源；水源热泵；可再生能源建筑

水源热泵技术是一种清洁能源，在国内外节能建筑中已有多项应用工程实例（如重庆江北城CBD项目、上海十六铺工程、大阪南港广场项目等）。在区域型水源热泵解决方案中，水源热泵技术具有良好的节能、经济和环保效益的特点，在我国沈阳、上海等地具备实施的现实条件。

《绿色建筑行动方案》通知提出“十二五”期间完成新建绿色建筑10亿m2，到2015年末20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。开发利用各类低品位可再生性清洁能源作为热泵冷热源为建筑物供暖供冷，对建筑节能与环保具有重要的现实意义[1]。

1. 清洁能源水源热泵技术

1.1 清洁能源的概念

清洁能源，主要分为狭义和广义两种概念。狭义的清洁能源是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能，此类能源消耗之后可以恢复补充，很少产生污染。广义的清洁能源则包括在能源的生产、及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气、清洁煤和核能等。

太阳能清洁能源是将太阳的光能转换成为其他形式的热能、电能、化学能，能源转换过程中不产生其他有害的气体或固体废料，是一种环保、安全、无污染的新能源，而水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了约47%的太阳能量，因此水源热泵技术属于间接利用太阳能的范畴。

1.2 水资源清洁利用——水源热泵技术

水源热泵技术是指以持续不断的水的供应作为热泵冷或热的能量来源，实现整套装置制冷、制热持续运行的热泵系统的技术。水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域性的地下以及地表水污染。实际上，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。可以说水源热泵是一种清洁能源方式。

水源热泵技术在建筑领域的应用规模增速明显，此类建筑使用功能多以住宅、公建和商业建筑为主，不仅为城市建筑的外观优化设计提供了新的思路，更有利于城市化发展程度高度发展地区发展节能建筑[2-4]。

2. 水源热泵技术在国内外发展情况

2.1 国内发展情况

20世纪50年代，中国有学者尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。目前，国内的清华大学、重庆大学、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵的性能开展基础和应用研究。

图1 北京奥运村和广州亚运村水源热泵技术在可再生能源建筑中的应用范例

近年来，国内外水源热泵技术在建筑领域的应用规模不断扩大，尤其是在国家节能示范城市的推动下，水源热泵技术得到了空前的发展，先后在多项工程中获得实际应用，如2008北京奥运村水源热泵应用项目、2010广州亚运会太阳能和水源热泵区域集中供能项目等[5]。

2.2 国外发展情况

1930年第一台现代蒸汽压缩式热泵在苏格兰诞生，标志着压缩式热泵应用进入新的时代。20世纪70年代的石油危机促使吸收式热泵的研究和应用得到了很大的发展，美国以及加拿大等北美国家对水源热泵开展了一系列基础性的实验研究，而在大型建筑方面推行WLHP（Water loop heat pump）系统，即水环热泵系统。90年代中期，水源热泵系统在北美国家得到了更为广泛的应用。

与美国的水源热泵发展历程有所不同，中、北欧国家（如瑞典、瑞士、奥地利）等国家由于自然条件等方面的因素，在可再生能源建筑领域更多的利用浅层地热资源和地下反季节蓄能技术。

3. 水源热泵技术在可再生能源建筑中的发展趋势

近年来，在可再生能源建筑中水源热泵技术与太阳能技术、蓄能技术的联合应用在工程中得以推广，如广州亚运会区域集中供能系统是以太阳能为主要热源，以水源热泵为辅助热源的实际工程应用。

水源热泵技术与太阳能耦合系统是利用水源热能与太阳辐射能的复合热源热泵系统，水源热泵与太阳能具有很好的匹配互补性，可根据日照条件、热水负荷和空调负荷变化情况，通过切换阀门采用不同运行模式。

水源热泵技术与蓄能技术的耦合系统是指通过设置水蓄冷、冰蓄冷和电蓄热系统，既减小变压器装机容量，又利用昼夜电力差价降低运行费用[6]。

蓄冷空调是指利用夜间低谷电价，开启热泵主机蓄存部分冷，等到白天电价高峰时段释放蓄存冷量，以减少系统运行费用，或在负荷高峰时段释放蓄存冷量，以降低机组的装机容量。蓄冷水池初投资较少，但水蓄冷系统的冷量密度较少，需要体积庞大的蓄冷水池。冰蓄冷空调系统主机蓄冷时效率较低，初投资较大，但冰蓄冷系统能量密度较高，所需空间较少。

图3 水蓄冷系统原理图

4. 水源热泵技术经济、节能和环保效益

经济效益显著。水源热泵集中式区域供热供冷系统是利用水源为热泵冷热源为建筑物供暖供冷，通过区域管网由能源站集中供给用户的系统。区域化集中供热供冷有利于提高能源利用效率，降低初投资，减少后期大量的供电等费用，提高经济效益。

节能环保效益显著。我国污染物排放定额如表1所示。水源热泵机组运行减少了电力消耗，减轻了电网常年运行负荷。同时降低了一次能源消耗过程中产生的SO2、CO2等污染物排放，减少ODS（消耗臭氧物质）排放缓解温室效应。水源热泵集中式区域供热供冷系统得到了单位水量的一次能源节能量，为环保评价（尤其是大气污染物）提供了计算依据。假设节约用电1000kwh，相当于节约标准煤400kg，相当于CO2减排997kg，粉尘272kg，SO2减排30kg，NOx减排15kg，环保效益十分显著。

表1 我国污染物排放定额 g . GJ-1

设定供热终端能耗为Q1，供冷终端能耗为Q2。

式中E1——供热一次能源利用率；E2——供冷一次能源利用率。

以江苏某地为例，辅助设备输送效率设为92%，全年的一次能源效率E约为1.2，具有较高的能源利用效率，能达到建筑节能的效果。

5. 结论

清洁能源水源热泵应用技术在可再生能源建筑中快速发展，结合太阳能技术和蓄能技术的耦合系统在工程应用的范围将进一步扩大。同时，水源热泵技术能大幅度减低后期供电等费用投入，并且大规模使用降低了SO2、NOx、CO2等污染物的排放量，取得良好的经济、节能和环保效益的统一。

[1] 陈新. 世博轴江水源热泵系统工程施工介绍[J]. 暖通空调,2010,40(8):99-101.

[2] 张文宇,龙惟定. 地表水源热泵以黄浦江水作为冷热源的可行性分析[J]. 暖通空调,2008, 38(3):15-19.

[3] ZHEN Li, LIN D M, H W SHU, et al. District cooling and heating with seawater as heat source and sink in Dalian, China[J]. Building and Environment,2008,43: 569-577.

[4] 侯亚芹,陆扬,刘长文,等. 重庆江北城CBD区域江水源热泵取退水方案研究[J]. 给水排水, 2009,35:374-375.

[5] 范有东,刘晓燕,王海军,等. 多种生活热水供热系统技术及经济对比分析[J]. 建筑节能, 2011,39(11):77-79.

[6] 谢厚礼,刘宪英,林学山. 重庆某长江水源热泵空调工程冬季测试及讨论[J]. 暖通空调, 2011,41(11):74-76.