北京海剑大厦地下水源热泵系统工程介绍

水源热泵的工作原理，优点和缺点~

水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。
优点：高效节能、运行费用低
缺点：
①造价高，由于水源热泵所获取的能源全部来地下水，因此钻井需求大，前期需进行专业的地质勘查，水质检验，费用昂贵；
②使用不稳定，水源热泵冬季从地下取热，夏季向地下储热，由于冬夏冷热负荷不平衡，导致地下水温度失去平衡；由于北方冬季供热量远大于夏季制冷量，在北方的水源热泵热失衡问题尤其明显，很多水源热泵工程由于没有考虑到这个问题，刚刚开始一两年效果还好，几年后地下水温度越来越低，导致热泵效果越来越差，甚至不能使用；
③维护复杂，我国水质较硬，从地下抽取的水经过换热器容易结垢，水源热泵每年至少要进行1-2次水源换热器清洗维护，抽水及回灌井维护，工程量较大，维护复杂困难；
④污染破坏地下水，水源热泵需要抽取地下水，大型工程抽水量可达到500T/H，水经过主机后存在一定为污染。最严重的问题是现在的水源热泵工程质量参差不一，很多工程回灌不到位（未回灌到同一抽水层）甚至直接不回灌排入污水管或者地表，导致城市地下水位及地面沉降，存在地质风险，容易被水利环保部门查处。因此现在多地政府已经开始严控水源热泵工程，严控地下水开采；

1水质问题---影响地下水，保护不好会造成地下水污染地下水经过地下管路时温度、压力的变化可能会破坏地层原有的热力学平衡状态。地下水源热泵的应用所可能导致的水文地质问题,后果往往是灾难性和无法弥补的。
2 地质问题---在地下水源热泵实际工程应用中，往往不能实现百分百回灌，回灌不好，会造成地下水位持续下降，引起地基沉降。
3最大不足是会造成土壤热不平衡，常年运行后会导致土壤温度失衡，影响周围生态。在供热、供冷不均衡的地区长期使用土壤源热泵,将会破坏地层原有的温度环境。

王永红1袁东立1曹瑞堂2王立发2周京2刘长春2
（１.中国建筑科学研究院空调研究所；２.北京市地质矿产勘查开发总公司）
摘要：随着空调技术的发展，水源热泵系统的应用越来越广泛。在现有的大型建筑中，一般采用方式为夏季供冷、冬季供热，很少在夏季提供制冷的同时，提供生活热水的用热。友谊宾馆专家楼水源热泵系统在夏季除用于空调外，还提供整个宾馆园区的生活热水用热。在设计中，充分考虑了取热与取冷的平衡问题。
由于水源热泵系统具有节能、一机多用等优点，现在在各种项目的空调系统中普遍被采用。水源热泵系统利用浅层地下水，作为夏季空调冷却水来源，然后再回灌到地下；冬季利用地下水作为热量的大部分来源，利用热泵机组，输入部分电功，为采暖系统提供热量。现在水源热泵工程基本上都做到一套系统供冬、夏两季使用，但在夏季使用时，利用完井水的冷量后就直接排入了地下。但如果能够利用其作为制取生活热水的用热，将会进一步提高水源热泵系统的节能性。
１ 工程概述
北京友谊宾馆是亚洲最大的四星级花园式酒店，位于中关村高科技园区的核心——中关村大街。新建专家楼位于宾馆园区的南侧，总建筑面积12724m²，包括新建游泳池、网球馆等，总建筑面积为21734m²。根据计算，整个新建项目夏季空调负荷为2537kW，冬季热负荷为3277.4kW。专家楼末端同时采用暖气系统和风机盘管＋新风系统，同时游泳馆部分采用了地板采暖系统。整个机房所承担负荷表如下：

浅层地热能：全国地热（浅层地热能）开发利用现场经验交流会论文集


续表

2 系统设计
根据友谊宾馆的要求，系统设计需要满足以下要求：
（1）能够满足专家楼及附属楼群冬季供暖、夏季供冷；园区夏季生活热水用热及专家楼全年生活热水用热需要。
（2）专家楼冬季供暖分为两个部分：低温水源热泵机组（R22）为风机盘管＋新风系统提供热水，高温水源热泵机组（R134a）为暖气系统提供热水；
（3）冬季高温水源热泵机组同时还为专家楼供应生活热水，过渡季单开高温机组为专家楼供应热水；
（4）夏季高温机组优先满足生活热水供热，冷量供给空调系统，剩余的冷量由低温机组提供。由以上几条原则，设计系统如下（图1）：
系统要满足不同季节运行的要求，需要通过阀门的切换和不同水泵的启停来实现。在运行时分为以下几种运行工况：
（1）夏季阀门V1、V3、V5、V7开启，V2、V4、V6、V8、V9、V10关闭。高温机组保证园区生活热水用热，多余冷量进入专家楼空调水循环系统，不够的冷量采用低温机组启动补充。井水仅为低温机组提供冷却水所用量。夏季专家楼采暖系统关闭。
（2）冬季阀门V2、V4、V6、V8、V9、V10开启，V1、V3、V5、V7关闭。高温机组与低温机组均采用井水作为热源，低温机组供给专家楼、附属楼风盘与新风系统的空调用热，高温机组供给专家楼暖气系统用热。
（3）过渡季V2、V4开启，其他阀门全部关闭。高温机组提供给专家楼生活热水，同样采用井水作为热源。
2.1 井水系统
井水系统作为系统的主要冷热源，必须要满足任何情况下制冷和制热的要求。为保证实现所有功能，总共钻凿5 眼井，均为抽灌两用井，既可以用于抽水井也可以用于回灌井。新1号、新3号井作为抽水井使用，新4 号井为抽水井备用井。原有的3、4、5、6号旧井以及新2号、新4号井和新5号井作为回灌井使用。最大负荷出现在冬季，所需要的井水最大小时用水量为400m3/h，根据井水的原始资料，单井的最大出水量为200m3/h，一般情况下，两口井出水量最大为400m3/h，足够满足冬季负荷使用。夏季最大小时用水量为312m3/h。冬夏季的设计温差均为7℃。一般情况下，运行模式为两抽两灌，如果出现超出设计负荷的情况，可以达到2抽3灌或3抽4灌。

图1 友谊宾馆新建专家楼热泵系统

2.2 机组选型
根据友谊宾馆的冷、热负荷情况，初步选择机组型号为清华同方SGHP1800 A型低温机组3台，HGHP1200 A型高温机组3台。

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在实际运行中，夏季最大负荷时，可开启两台低温机组或者开启两台高温机组＋1台低温机组。冬季最大负荷时，开启两台高温机组供给暖气系统，两台低温机组供给空调采暖。多出的热泵机组，一方面作为系统备用，一方面可预留给再建工程空调系统使用。
3 空调用冷与热水用热的匹配
以往的水源热泵系统一般情况下均为提供单一的冷热源，很少有将两端的冷热均加以利用。因此保证不影响夏季空调供冷的前提下，生活热水系统应采用蓄热式，这样在生活热水负荷达到高峰时不会影响空调使用。同时在生活热水负荷过大时，过多的冷量能够散出，也需要备用的供冷系统。初步分析发现，生活热水负荷大部分时间远远小于空调负荷。因此考虑到两方面的因素，在系统设计中，我们保证高温机组只保证供应热水，多余冷量由低温机组提供。而在热水负荷高于空调负荷的情况下，没有单用的热泵机组提供。
在设计之前，通过对友谊宾馆2005年8月12日至8月15日生活热水的监测，得出的各个小时热水用量如下（图2）。

图2 友谊宾馆生活热水用量负荷表

由上图可以看出，生活热水最大小时用热量集中在早上7：00～9：00和下午16：00～18：00之间，最大小时用水量为37m3/h，高峰最长持续时间2小时。生活热水是一个比较稳定的状态量，而空调负荷会随着室外温度的变化而变化，并且在不同时期空调负荷会差异比较大，而且在空调负荷低于热水负荷的时候，初步设计中暂时没考虑备用情况。因此需要分析在什么情况下需要采用备用热水加热系统。
在忽略热损失和无用功的情况下，机组的制热量为制冷量与输入功率的和。为了确保机组供热的稳定性，我们采用直接评价制冷量与制热量平衡的问题。
新建专家楼的最大日空调负荷与平均的热水负荷对比的变化曲线见图2。从图中可以看出，当达到最大负荷时的一天，生活热水负荷在绝大部分时间都远远低于空调负荷，除了在夜间22点至凌晨1点之间会出现制热量小于制冷量的情况，这段时间热水用量共计55m3。在系统中，采用了蓄热生活热水罐共计52m3，即便在夜间不开空调机组，白天热水罐所蓄得的生活热水用热也能够满足夜间热水使用要求。
通过分析不同空调负荷下的匹配情况，发现在低于55%的空调负荷下，热泵热水系统无法保证整个园区的生活热水用热需求。因此，建议在空调负荷未达到55%以上时，热水系统采用原有燃气锅炉供热。
4 节能效果分析
采用水源热泵代替普通空调的优点在于，不论夏季室外温度高低，井水维持在15℃左右，冷机的效率始终维持在较高的水平上。冬季采用水源热泵系统，大部分的热量来源于地下，输入的电功率仅为总热量的25%～30%。
以本工程为例，最大冷负荷为2537kW，最大热负荷为3277kW。不同方式下空调和采暖费用对比如下：
夏季空调相同负荷下不同空调形式运行费用对比

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冬季采暖相同负荷下不同采暖形式运行费用对比

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从上表可以看出，水源热泵在夏季最大负荷下小时能耗费用比集中空调低10%左右，比分体空调低30%以上。冬季采暖费用的优势更加明显，比天然气锅炉能耗费用低了20%。
如果按照一个采暖季（150天）来计算，可得出新建专家楼几种采暖方式运行费用如下：燃油锅炉，45.23元/m2；燃气锅炉，27.61元/m2；风冷热泵，36.68元/m2；水源热泵，21.09元/m2。

图2 最大日冷负荷与生活热水负荷对比表

由此可以看出，水源热泵是友谊宾馆可采用的采暖方式中最节能、运行费用最低的一种采暖方式。
在夏季，水源热泵与其他中央空调的差距并不大，只是由于井水水温较为恒定，平均制冷效率高于普通中央空调。但由于友谊宾馆利用冷凝热加热生活热水，因此在得到空调的同时，还免费得到了部分生活热水。
根据生活热水的分析结果，在日空调总负荷达到最大日总负荷的55%以上时，空调废热所产生的热水方能提供给整个园区的生活热水使用。夏季日空调总负荷在最大日总负荷55%以上的时间约为60%左右，平均负荷值按75%计算，可得到50℃的生活热水量约为35220m3。由于每天的生活热水基本恒定，因此每季有效利用的生活热水量为3万m3左右，可节约燃气16.59万m3，节省费用约为31.52万元。现阶段的运行方式为，在空调低负荷时，采用热泵机组与燃气锅炉同时供热，在空调高负荷时，单由热泵机组提供热水。这样的运行方式，会在现有基础上进一步节能，加快投资的回收速度。
现阶段专家楼的空调系统没有完全投入使用，无法具体了解空调运行费用。但根据7月8日到7月20日的记录，整个机房的总用电费用当作全部用于加热生活热水来考虑，每立方米热水的造价为20.23 元。这样计算的话，相当于每天为热水投入20.23 元/m3，供出的空调用冷是免费得到的。由此可见，友谊宾馆水源热泵系统具有较好的节能前景。
5 结论
（1）水源热泵系统由于利用的地下水温度较为恒定，因此具有较高的可靠性，并且在夏季比常规集中空调有更高的能效比。
（2）夏季利用热泵的冷凝器热量来加热生活热水是可行的，在采用优先保证生活热水系统的情况下，必须在空调负荷达到一定要求后，才能开启热泵供热水系统。在低负荷情况下，建议采用其他加热方式或者单独设置一台单供热水的热泵。
（3）夏季利用高温的冷凝热加热生活热水系统，可以减少地下水的利用，与不带生活热水的系统相比，只增加了换板的投资，能够为用户带来巨大的收益。
（4）冬季几种采暖方式中，由于地下水的水温恒定，热泵机组能够大量利用低品位的热能，减少电能的用量，在几种采暖方式中运行费用最低，因此建议在地下资源丰富，回灌条件良好的地区优先采用这种采暖方式。

楼洪波 李永泉

（北京市华清集团）

摘要：水源热泵系统是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温位热能资源，利用热泵原理，通过输入少量的电能，实现低温位热能向高温位热能转移的一种技术。本文通过工程实例——北京海剑大厦水源热泵系统工程，来介绍水源热泵系统的设计、运行情况及其优势。

1 水源热泵系统简介

水源热泵系统的工作原理与地源热泵相同，不同的是，水源热泵是以浅层地下水为低温热源。通过抽取浅层地下水，经过热泵机组进行换热后，将水再回灌到地下（见图1）。

图1 水源热泵示意图

地下水源热泵是以“地下水”为热能载体，通过热泵实现浅层地能的间接利用；可分为“同井抽灌”和“多井抽灌”的两种方式。

水源热泵空调系统的组成与地源热泵的区别也仅在于室外换热系统上，它是通过钻凿浅层地下水井进行抽水、回灌来达到换热的目的。以浅层地下水为热源的水源热泵系统受水文地质条件的影响较大，主要适合于厚度较大的粗砂和砂砾卵石含水层分布地区应用。此种地层渗透条件好，地下水的补给、径流条件好，抽取和回灌地下水都较容易。

浅层地下水资源的丰富程度是水源热泵系统推广利用的决定因素，就北京地区而言，水文地质条件好适宜水源热泵的地区主要分布在永定河、潮白河等主要河流形成的冲洪积扇中、上部地区，如海淀区、石景山区、丰台区、大兴北部、城区、顺义县城东北部等地。根据具体地点的水文地质条件的差异，可设计不同类型的抽灌井方式。

2 海剑大厦工程实例介绍

2.1 工程概况

北京海剑大厦位于海淀区厂洼西路8号，总建筑面积26000m²，原中央空调系统的冷热源采用溴化锂机组两台（单台制冷量1100kW）和燃煤锅炉，末端为新风机组加风机盘管。将现有的冷热源改造为高效、节能、环保的水源热泵系统，冬季供暖，夏季制冷，同时满足130个喷头的洗浴用水需求。

本项目夏季空调负荷为：2200kW；冬季采暖负荷为：1500kW。

2.2 热泵系统方案简介

2.2.1 站房系统概述

本系统是以地下水为热（冷）源，冬季从地下水中“取”出低品位热量，通过机组“搬运”变成高品位热能。夏季将房间内热量带出，通过机组转到地下水中。水源热泵机组冬季可提供45～55℃的热水，夏季可提供7～12℃空调用冷冻水，同时本系统可提供50℃的生活热水。

2.2.2 系统主要特点

（1）地下水抽灌井系统：满足冬季水量160m³/h，夏季水量200m³/h。共设计4眼抽灌井，冬季1抽2灌，夏季1抽3灌。在控制利用方式上，取水井泵恒压变频控制，与每个机组出水口定温控制关联，做到单个机组按需用水，在机组关机时，温度控制阀相应关闭。以上控制方式，可最大限度的实现按需取水，实践证明节水量可达到50%以上，节水等于节电，降低运行费，同时可以减轻回灌井的回灌压力，增加回灌井的寿命。

（2）控制系统选用：选用变频控制，自动化程度高，节能效果显著。

（3）夏季生活卫生热水通过系统设计及控制措施，回收空调热泵冷凝热，相当于免费使用热水。

2.2.3 主机选型

主机设备选用沈阳一冷生产的GSHP⁃800型机组3台，压缩机型式为MITSUBISHI半封闭单螺杆压缩机，型号为MS⁃18L，此类压缩机噪音低、结构简单、转动部件少、使用寿命长。机组的冷凝器出水温度可达到55℃。

机组具有体积小，能效比高、自动化程度高等特点。

2.3 系统运行概况

2.3.1 冬季工况

满足制热需求，需开启2台设备机组，总制热量为1650kW，电功率输入约480kW。制热时单台机组冷冻水量为80m³/h，冷却水量为64.6m³/h。故地下水需求量总计160m³/h。

2.3.2 夏季工况

满足制冷需求，需开启3台设备，总制冷量为2196kW，电功率输入约550kW，制冷时单台机组冷冻水量为126m³/h，冷却水量为66m³/h。地下水需求量总计198m³/h。

2.3.3 生活热水系统

本项目每天热水用量为52m³，最大小时用水量为7.5m³，洗浴用水采用板式换热器换热，配30m³的储热水箱，供水温度50℃。冬季利用2台机组的产热量与建筑实际热负荷需求的差值解决，夏季制冷时可免费回收冷凝热供应生活用水。

2.4 抽灌井的设计

2.4.1 地区地质及水文地质条件

海剑大厦地区属永定河古河道，100m以浅为第四系永定河冲洪积物，岩性以砂粘、砂卵砾石、漂石等为主（表1）；100m以下为第四系泥砾层。

表1 地层剖面岩性表

根据区域水文地质条件结合周边现有浅层水井情况分析，该区第四系孔隙水为潜水，含水层岩性为砂卵砾石，颗粒粗，厚度较大，渗透性好，其补给来源主要为大气降水及上游地下水侧向径流，水位埋深约15～20m。单井出水量可达200m³/h，水温约15℃左右。2.4.2 抽灌井设计

本项目水源热泵机组所需地下水量：夏季200m³/h，冬季160m³/h。夏季回灌水温度设计为27.5℃，冬季回灌水温度设计为8℃。根据用水情况，本项目凿井4眼，其中抽水井1眼、回灌井2眼、备用井1眼。

由于机组仅利用了地下水中的“热”而不消耗水量。地下水在使用过程中仅温度发生了小幅度的变化，而水质不变。通过抽灌井的设计，将换热后的地下水灌入地下含水层中，可以促进地下水的循环。起到节水、节能、节资的多重效果。

2.5 系统运行情况分析

2.5.1 运行效果

本项目于2003年5月份竣工并投入使用，经过3个采暖季和制冷季的运行，效果良好，冬季室内温度能够保持在18℃以上，夏季室内温度约为24～25℃，生活热水供水温度为50℃。

2.5.2 运行费用分析

根据本项目3年来的实际运行分析，运行费用测算如下：

电费按照实际峰谷均价0.62元/kW·h来计算。

2003年11月4日～2004年11月6 日：全年机组耗电542628kW ·h，所需费用为33.64万元，其它设备耗电456872kW·h（包括循环水泵和生活热水等相关费用），所需费用为28.33万元，合计61.97万元，折合每年每平方米为23.8元。

2005年夏季系统耗电量为213832kW ·h，所需费用为13.26万元，折合每平方米5.1元；2005～2006年冬季系统耗电量为655080kW·h，所需费用为40.6万元；全年总运行费用合计为53.86万元，折合每年每平方米20.7元。

改造前全年运行费用约为110万元（且不含循环水泵和生活热水费用），与现在系统相比，每年节约运行电费约50多万元。

3 结束语

通过以上简单介绍可知，海剑大厦水源热泵系统在其环保高效、节能节资等方面具有突出的优势，特别是在运行管理到位的情况下，水源热泵系统的运行费用可能低于燃煤采暖系统。

由此发展水源热泵系统是能源结构调整的有效途径，我们相信水源热泵系统一定会在优化我国的能源结构，促进多能互补，提高能源的利用效率方面发挥其重要的作用。

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