水源热泵系统在别墅建筑采暖应用的分析

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摘要：城市采用水源热泵系统采暖与常规方式采暖的别墅建筑运行能耗进行了比较和分析。结果表明，水源热泵系统虽然是一种高效节能的系统，但是应用时需要根据当地的实际情况进行使用，以保证其经济运行。对于北方城市，应用水源热泵采暖系统较节能；而对于沿海城市，水源热泵采暖系统不太适用。

关键词：水源热泵系统别墅建筑采暖应用 分析

中图分类号：TU96+2文献标识码：A文章编号：

引言

当今世界，环境污染和能源短缺成为全球关注的问题，日益严峻的形势给人类带来了新的挑战。研究和开发新型可持续使用的清洁环保能源已成为各国政府的当务之急[1]。从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径，所以，可再生能源的开发和利用被放在首要位置。热泵技术是一种有效利用可再生能源和低品位热能的节能型空调制冷采暖技术，可利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到泵热的目的[2]。由于热泵所具有的节能、高效、环保等优点，已成为我国可持续发展战略中不可缺少的重要组成部分。

1.水源热泵

1.1 水源热泵机组的原理及特点

水源热泵系统是用水作冷热源的热泵，其工作原理就是利用地球表面浅层水如地下水、地热水、地表水、海水及湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，在夏季利用制冷剂蒸发将空调空间中的热量取出，放热给封闭环流中的水，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量；而冬季，利用制冷剂蒸发吸收封闭环流中水的热量，通过空气或水作为载冷剂提升温度后在冷凝器中放热给空调空间[3]。其工作原理图见图1。由于水的容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷采暖效率(或能力) 高于空气源热泵。该系统占地面积小，非常经济，在不破坏水资源的同时，充分利用其内在的巨大能量，甚至可在地下水层处直接进行能量交换[4]。水源热泵属可再生能源利用技术，高效节能，运行稳定可靠，减少环境污染，一机多用，同一系统可实现冬季供暖、夏季制冷和提供日常生活用用热水的功能，应用范围广，设备成本低，投资和维修成本低。

1.2 水源热泵在国内的应用

与传统燃煤采暖方式相比，水源热泵系统适合于不同建筑规模的需求，在提高人们生活质量的同时，从根本上解决了使用非清洁能源带来的环境污染问题。基于这一点，自80 年代以来，我国采用水源热泵空调系统的建筑也逐年增多，目前已经成为华北和中原地区空调系统的一大热点，其应用地区已经从北京、山东等地扩大到湖北、湖南等地。应用的工程项目有很多，例如别墅、办公楼、温泉度假中心和广场等。水源热泵系统具有较大的市场潜力，在全国各地的应用实例很多。因此，为了分析水源热泵空调系统适用的地区范围，把我国30 多个省会城市作为动态模拟的代表，来分析在同一个别墅建筑在不同地区使用水源热泵系统采暖时的应用和运行效果。通过与目前常用的采暖系统的运行费用进行分析对比，从而确定最适合使用水源热泵系统采暖的地区。

2.分析模型的建立

2.1 计算方法

由于水源热泵空调系统的运行工况比较复杂，为比较分析系统的运行能耗，本文某工程建筑技术科学系研制开发的住宅建筑热环境模拟工具包(简称“DeST”)对房间空调负荷进行了动态模拟。

2.2 建筑基本情况

该别墅住宅南北向，3 层，每层高3.6 m，南北阳台均封闭，单层建筑面积约230 m2，总建筑面积为694 m2，其建筑平面结构见图2 所示。

2.3 计算结果分析

首先以北京地区为例进行计算分析。通过前面确定的动态模拟模型，输入相关数据后，程序经过预处理、运行后，某地区不同采暖方式经济性比较见表1。

从表1 可知，采用水源热泵系统采暖的能耗高于区域锅炉采暖，其能耗与分户燃气炉采暖相近。但是水源热泵系统采暖时的环境排放量与家用电热膜采暖相同，没有烟尘、SO2 和NOx 的排放量。与区域锅炉采暖和分户燃气炉采暖不同，水源热泵系统不会带来烟气排放问题。在北京市水源热泵采暖的运行费用高于集中和燃煤锅炉采暖，低于电热膜方式。在北京地区使用水源热泵采暖的运行费用远低于采用电热膜方式采暖。

2.4 适用性分析

我国幅员辽阔，南北跨越热、温、寒几个气候带，气候类型多种多样，黑龙江省北部全年无夏，海南岛长夏无冬，淮河流域四季分明，青藏高原西部终年积雪，云南中部四季如春，西北腹地日温差极大，各地气候差异很大。同样的建筑在不同的地区，其负荷情况。可能迥然不同。也就是说，对于不同地区同样的建筑，若采用水源热泵系统采暖，与常规采暖方式相比，其节能效果是不一样的，甚至可能是不节能的。别墅建筑由于其建筑特点和分散性等原因，除区域采暖以外，大多家庭采用分户采暖的形式, 即每户独立成一个供暖体系。目前, 传统分户采暖方式不断萎缩, 现代方式已露端倪。常见的形式：①电热膜采暖；②分户水平式热计量；③地板采暖；④小型户式燃气壁挂炉。为得到全国水源热泵系统使用于采暖的区域分布，在此以不同采暖方式的运行费用作为指标进行划分。通过对全国30 多个省会城市进行计算，得到各采暖方式与采用分户水源热泵(风机盘管)运行费用的比较结果。

与采用电热膜采暖相比，长江流域以南的地域使用水源热泵采暖运行费用过高，不推荐使用，北方地区比较适宜，与分户水平式热计量采暖相比，只有以远不适宜用水源热泵，其他地区都适合，关于其他采暖方式，相对水源热泵采暖而言，地板采暖的运行费用较大，在全国各个地区都不适宜；而天然气炉采暖相对于水源热泵采暖来说运行费用较低，在全国各个地区都适宜。

3.结束语

集中采暖和燃气炉采暖相比，水源热泵系统采暖具有较好的环保效应。与电热膜采暖相比，水源热泵系统在北方地区运行费用较低，适宜选用。与分户水平式热计量采暖相比，远不适宜使用水源热泵，南方城市使用该系统节能效果均不明显或不节能。

参考文献：

1.毛业斌.水源热泵及其应用前景[J].机电设备,2005,22(1):29-32.

2.黄金保,浦绍选.太阳能热泵技术及其采暖应用[J].中国建设动态:阳光能源,2004(12):53-57.

3.齐贺年.水环热泵空调系统的应用研究[D].西安:西安建筑科技大学,1997.

4.蒋能照,姚国琦,周启瑾.空调用热泵技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1997.