暖通工程中的水源热泵技术

申喜亮

（山西三建集团有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

对于社会经济而言，能源是支撑其不断向前迈进的支柱性力量。在时代飞速发展的背景下，人类已经进入了现代社会，对能源的需求规模日益扩大。而为了实现人与自然的和谐发展，绿色清洁能源的开发与应用已经受到了社会各界的关注。因此，水源热泵技术成为取代传统暖通空调技术的优选，其环保效益、节能效益以及经济效益均优于前者，正在暖通工程中被广泛推广，且取得了良好的应用效果。

1 水源热泵技术的原理

通过地球水所储藏的太阳能资源转换冷源与热源的空调技术即为水源热泵技术。该技术主要是以水泵技术作为参照对象，使得热量能够从低温物体中转移到高温物体中，实现热量的有效提升，因此可以认为，“水泵”实际上是这一技术形式中的“热泵”的来源。地下水源热泵系统基本能够被细分为3个更加细致的系统，分别是水源系统、热泵机组以及用户末端系统[1]。当处于冬季时，地下水的温度通常会高于地表温度，所以，此时地下水就可以充当“热源”，将地下水引入热泵机组蒸发器之后，其自身的热量将会转移到制冷剂中，并在恰当的时间完成回灌。与此同时，制冷剂会继续传输热量，直至将其运输到冷凝器中存有的热水，但值得注意的是，此时的热水本身的温度较低，在其吸收到来源于冷凝器中的热量之后，将会被传输到用户末端系统中，从而实现取暖。当处于夏季时，地下水的温度则会低于地上的温度，因此，此时地下水又可以充当“冷源”，在将地下水引入热泵机组之后，冷凝器会促使制冷剂本身的热量逐步消散，同时在恰当的时间内完成回灌。与此同时，制冷剂将会继续将冷量转移到蒸发器中存放的冷冻水，当冷冻水自身的温度下降到一个更低的水准时，则会被再一次转移到用户末端系统中，从而实现制冷。

2 水源热泵技术在暖通工程中的应用优势

相较于以往的暖通工程空调系统，水源热泵技术在暖通工程中的应用优势主要体现在以下3个层面。

2.1 具备良好的经济性

在与过去的暖通空调技术相比较时可以发现，由于水源热泵技术在应用加工期间以地下水系统作为主要的能源来源，这种热泵系统本身的容量较大，这也意味着其在实际应用期间投入的运行费用将会更低，相较于暖通空调，其运行成本规模将会缩减18%～54%。不仅运行费用降到更低的水准，并且系统的维护成本也更少。由此可见，水源热泵技术在应用期间的经济性十分优良。通常来说，如果应用水源热泵技术的暖通工程的安装容量超出528kW，并且工程井深处于180～540m时，该系统的整体经济效益将会更加优良。不仅如此，在经过专业人士的预估和计算之后可以发现，地下水源热泵技术的投资增量回收期年限约为4～10年。

2.2 具备良好的节能性

相较于地表全年温度而言，地下水的常年温度表现出冬暖夏凉的局面，原因在于地球表层用于隔热和蓄热的能力。因此，使用地下水的水源热泵技术可以将建筑物中存在的热量带走，其制热效果和制冷效果均处于较高水准[2]。

2.3 具备良好的环保性

通过对水源热泵技术的原理进行分析之后可以发现，地下水为该系统应用期间的基本传热介质，因此，在冬季进行取暖时，无须像过去一样使用锅炉系统，这也意味着燃料燃烧时产生的污染性气体将会大幅减少，实现了有效的环境保护。不仅如此，这也意味着消耗的燃料规模得到了有效降低，节能效果优良。在夏季制冷时，也不再需要使用冷却水塔，这实现了水资源消耗规模、霉菌污染程度以及噪声污染程度的有效降低。同时，当水源热泵系统在夏季进行应用时，建筑物内部的热量还会被传输到地下，并未转移到空气中，这对于减轻城市热岛效应而言也是十分有利的。

3 水源热泵技术在暖通工程中应用期间存在的问题

就现阶段暖通行业的发展状况来看，水源热泵在其中的应用范围呈现出逐渐扩大的趋势，作为一种节能、高效的可再生能源利用技术，水源热泵技术的有关技术体系愈发完善。不过，就现如今水源热泵技术的实际应用状况来看，仍然存在着一些不容忽视的问题。

3.1 勘察、分析与设计存在偏差

从本质上来说，水源热泵技术实际上是一种有着较强综合性的技术，而不是单纯的暖通技术[3]。我国有着辽阔的国土面积，从南至北、从东至西的纬度和经度跨度均较大，加之各个地区与海洋之间的距离存在差异，使得我国各个区域的气候条件和水文地质条件表现出其独有的特征，不同地区在应用暖通工程时所提出到的要求也不相同。基于这种情况，在将水源热泵技术应用到暖通工程建设中时，需要对所处区域的实际情况进行全方位地调研与勘察，确保项目建设场地地下水的水温条件、污染物质含量以及水质等多项指标均能够与水源热泵系统的设计要求相满足。除此之外，工作人员还应当深入了解工程地下水源周围区域的环境，确保其具备顺利建设热源井的条件。不过就实际情况来看，在实际开展工作的过程中，工程设计人员在对水源热泵系统进行设计时往往更加倾向于依赖自身的设计经验，忽视了分析项目建设区域条件的工作，同时也未在结合实际情况的基础上论证自身的设计方案，最终导致生成的设计方法和水源热泵系统的具体运行参数之间呈现出较为严重的差异，使得节能效果难以达到预期标准。

3.2 回灌技术不当破坏地下水系统

水源热泵技术本身属于一种绿色节能技术，在将其应用到暖通工程中时，一项重要任务即为保障生态系统平衡，倘若在水源热泵系统中对出现开采地下水资源过度的情况，导致地表下沉现象产生的可能性就会加大，这种情况将会对建筑物使用安全和地表道路的使用安全产生较大的威胁[4]。为了避免这种情况的产生，在对地下水资源进行开采时，保证100%同层回灌是其中的关键一环。与此同时，还需要按照暖通工程项目本身的具体情况完成恰当的回灌技术的选择，从而最大限度地减少浪费地下水资源的规模。就现阶段我国在应用水源热泵技术时的具体情况来看，由于微生物生长、气泡堵塞、化学沉淀以及悬浮物沉淀等多种因素的存在，导致地下水资源难以实现全部回灌，这不仅会对系统运行产生一定的消极影响，还会在不同程度上破坏地下水系统。

4 水源热泵技术在暖通工程中应用的实际案例

4.1 案例简介

本文案例为一写字楼建筑群中的暖通工程项目，分析水源热泵技术在其中的应用。该写字楼建筑群共涉及4栋建筑物，其中有一栋建筑物包含地上地下两部分，地下1层，地上9层，余下3栋建筑物均只涉及地上部分，且其层数均为5层。该建筑群的整体建筑面积共计25000m2，建筑物水源热泵系统末端设计的热负荷与冷负荷功率分别为1696kW和2438kW。与此同时，该建筑群的暖通工程中还涉及10口热源井，以满足建筑物中人员的制冷和取暖需要。在这10口热源井中，共涉及1口备用井、7口回水井以及2口抽水井。与此同时，这一项目中还包含4台潜水泵，这之中还包含2台备用的潜水泵。当处于夏季时，水源热泵机组的冷水供水温度和回水温度分别可以达到7°C和12°C；当处于冬季时，水源热泵机组的热水供水温度和回水温度则分别可以达到45°C和40°C。与此同时，还将风机排管设备安装在了水源热泵系统末端。

4.2 水源热泵系统运行现状

在该写字楼建筑群内部水源热泵系统运行期间，依托人为力量进行设置是冷冻水供水温度设置的最主要形式。具体来说，系统管理人员应当在与自身工作经验进行有机结合的基础上大致预测水源热泵系统启用时的供水温度区间，并进行科学地调节。在水源热泵系统运行的过程中，通常情况下，当室内热负荷水平越高时，设定的供水温度参数值将会随之呈现出下降趋势，通常来说，供水温度的变化范围往往会处于±3°C。从理论层面的角度出发，如果设定的供水温度处于较低水准时，那么建筑物室内温度减弱的幅度将会比较明显且下降速度较快。当室内的温度条件可以与热舒适性条件相符合时，供水温度仍然保持在初始状态，那么出现浪费冷量情况将会成为一种必然现象。不仅如此，在这种情况下甚至会有一些水源热泵末端用户通过打开门窗的方式对室内温度进行调节，这无异于浪费能源[5]。

在对当前水源热泵系统的运行状况进行分析之后可以发现。如果2台机组在同一时间内运行，并且此时2台备用机组的旁通阀保持在开启状况，那么机组主供水和冷冻水出水的温度将会存在一定的差异，通常会保持在2～3°C左右。在循环水泵处于工频运行状态时，冷冻水的实际流量可以达到180～190m3/h；如果2台机组在同一时间运行，且此时另外2台备用机组的旁通阀处于关闭状态，那么此时水源热泵机组主供水和冷冻水出水的温度将会大致保持在相同的状态，冷冻水流量相较于前者也会呈现出一定的下降趋势，降低至130～140m3/h。通过对这两种情况进行分析之后可知，当备用机组的旁通阀处于开启状态时，冷冻水的流量将会处于一个更高水准。在此期间，一部分冷冻水回收将会与机组冷冻水出水汇合，共同流入冷冻水主供水管道中去，而另一部分冷冻水回水将会流经空调机组制冷；当备用机组的旁通阀处于关闭状态时，水源热泵机组的冷冻水流量相较于前者也会更少，在这种状态下，所有的冷冻水回水均会经过机组制冷处理。

4.3 水源热泵系统节能优化措施

通过对该写字楼建筑群的水源热泵系统的运行状况进行研究之后发现，该系统在实际应用期间还具备着十分可观的节能潜力，这也意味着其节能效益将会得到进一步提升。而在实现在这一目的的过程中，实现初始供水温度设定的优化是其中的关键一环。具体来说，在设定初始供水温度的过程中，当系统管理人员启动水源热泵机组时，所设定的供水温度需要保持在一个较低的水准，同时在掌握建筑物室内温度条件的基础上对机组的实际运行时间进行合理的设置。此外，当建筑物室内的温度条件能够达到热舒适性的要求之后，系统管理人员就可以将供水温度的设定值适当提高，从而保证建筑物室内的温度条件能够处于一个合理的区间。通过这种设定温度的模式，不仅能够将水源热泵系统的功能进行充分发挥，同时还在很大程度上防止了浪费冷量情况的产生。

为了可以对实际产生的能源节约效果进行确定，还需要利用相应的试验，试验内容应当包括旁通阀关闭试验以及冷冻水供水温度调节试验。具体的试验内容共分为两个部分：首先，旁通阀关闭试验。通过上述内容中对该建筑物群水源热泵系统的运行状况进行分析之后可以得知，备用机组旁通阀装置的开启或关闭将会影响主冷冻水的主供水温度，倘若该温度下降到了温度控制范围的最小值，此时压缩机将会被自动关闭。在保证气象情况大致保持相同条件的基础上，分别对旁通阀开启时和关闭时水泵热源系统的整体运行电量进行统计。其次，冷冻水供水温度调节试验。在对冷冻水供水温度进行调节时，将温度调节范围设定为（-1～+2）°C。倘若供水温度超出了设定的温度值，即需要对压缩机进行关闭，并在保证气象情况大致保持相同条件的基础上，分别对温度设定值存在差异情况下系统的整体运行电量进行统计。通过这两项试验之后可以发现，经过改进之后的水源热泵系统可以在很大程度上防止系统供水温度设定值下降到较低水平，同时旁通阀的开启和关闭也会对能源消耗量产生影响，因此在系统运行期间，系统管理人员应当对这项内容加以关注，根据实际情况进行适当地调节。

5 结语

综上所述，在人们环保意识不断提升的背景下，暖通工程中水源热泵技术的应用范围得到了充分拓宽，该技术的应用能够与人们制冷和取暖的需求相匹配。就当前水源热等技术的应用现状而言，运行方式、系统配置、建筑类型以及水文地质条件等均会对技术应用效果产生影响。为此，相关人员应当提升勘察设计、技术优化和运行改进的质量，确保水源热泵技术的效能可以得到切实发挥，削弱技术应用期间产生的不利影响，切实实现建筑物和所在区域及周边环境的和谐共处。