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摘要：介绍了邢台市某小区热泵冬季采暖系统设计，包括热泵机组选型、循环水泵选型等。最后与普通供热方式进行了经济性分析，结果表明，水源热泵机组初投资虽然比常规供热略高，但运行费用低，投资回收期较短，说明热泵采暖系统是一种绿色、环保、高效、节能的系统。
关键词：供热；热泵；经济性分析
中图分类号：TU833文献标识码： A 文章编号：
0. 引言
水源热泵空调系统是一种可以利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊），和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把水体或地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到水体和地层中去。
水源热泵系统 60 年代开始在美国提出之后，经过 30 年不断改进和发展，技术日趋成熟，其产品已逐渐商品化，迄今已经在北美建筑中应用了 40 多年[1]。进入 70 年代后，这项技术在日本的推广应用很快。东芝、三菱电机、PMAC 公司均有水源热泵产品出售，东京、名古屋、横滨等城市在 70 年代初就有很多采用闭式环路水源热泵空调系统的工程实例[2]。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，在深圳、上海、北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江第四号楼、西安建国饭店、青岛华侨饭店。深圳同贸大厦、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。
1. 工程概况及热泵供热原理
本工程位于河北省邢台市清河县，总建筑面积18000 m2，共6栋楼，每楼共6层，每层2户，共有3个单元，层高2.8m。
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组工作的大致原理是，夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取热量。其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量,形成高温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。在制热模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向供热水（建筑供暖用水）中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收低温热源水（地下水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得供热水。
2. 设计参数
该住宅冬季室内设计参数：温度18±2℃，总热负荷为612 KW，热指标为34（W/㎡）。
3. 设备选型
3.1 主机设备选型
机房系统的核心设备即水源热泵主机的选型，我们主要遵循以下原则：一是主机总制热量能够满足建筑负荷要求；二是根据负荷要求尽量选择两台以上主机，互为备用提高系统安全性；三是合理优化，从而最大限度的降低系统初投资及运行费用。
综上所述，我们推荐采用天加公司生产的螺杆型水源热泵机组1台，型号为TESD-BW10170.1，总制热量为627KW可以满足该项目采暖需求。
采用优质电气控制设备，及时相应主控制系统的命令，并且现场分手动、自动转换开关，方便机组维修。传感器信号进入中央控制系统进行PID调节，输出信号控制现场设备。现场启动方式采用变频和软起，节省电力并且延长设备使用寿命。
3.2循环水泵选型
选用上海康大泵业水泵，型号为KDL80/185-11/2，流量61 m3/h，扬程40m，功率11KW，2用1备。
3.3补水泵选型
本工程选用上海上海康大泵业水泵KDL40/170-2.2/2，流量5.3m3/h，扬程36m，功率2.2KW，1用1备。
3.4深井泵选型
在本项目中，地下水最小需求量为54m3/h。根据现场条件打井，回水排至回灌井中。按照当地水文地质资料，水井深度在100-120m，止水25m左右时，单井出水量在80m3/h，抽水井动水位45米左右，同层单井回灌量约为出水量的25～30m3/h。为确保投资的经济性，延长水井使用寿命，保证水井使用质量，该工程共需1口出水量80m3/h，约180m深，2口回灌井。井径DN350高压蒸汽钢筋水泥管水井。详细水井数量及井深、成井工艺待钻孔电测后以测试数据确定。
选配石家庄潜水电泵厂175QJ-50-108型潜水泵。水泵参数如下：型号为250QJ80-100，流量为80m3/h，扬程为100m，功率37KW。
3.5软化水选型
根据设备机组参数，选取软化水设备型号FY-3A，配套软化水箱4m3。
3.6复式旋流除砂器选配：
根据机组运行时对水量要求，选配石家庄宇泉环保设备有限公司生产的复式旋流除砂器1个，工作参数如下：型号为YQXS-125/150；进水压力＞0.3Pa；水处理量为110m3/h；除砂率为＞92%；进水口管径DN125; 出水口管径DN150; 排污口管径DN50。
4. 系统设计节能
地源热泵中央空调系统是一项系统工程，是一种工程概念，一套系统安装完毕后，是否能达到预期的效果，是否能最终实现用户运行费用低廉的愿望，它与我们的系统设计、主机厂家选择、附属设备选型、工程施工、运行维护、售后服务等密不可分。只有经过了科学而严谨的系统优化设计，采用了性能优良、质量可靠、适用于我国地下水状况的主機设备，选择了有丰富地温空调施工经验的施工队伍，后期经过精细而科学的运行维护管理、及时到位的售后服务才能达到我们预期的理想运行效果，否则将会事与愿违。
选择了水源热泵就意味着选择了节能、环保，我们称之为形式节能。但在现有生产条件下，由于主机能效比的高低仅取决于冷凝及蒸发温度，因此，在蒸发温度、冷凝温度相同的条件下，各个厂家主机能效比基本没有差异。在此前提条件下我们只有通过改变蒸发器形式，提高蒸发温度（或降低冷凝温度）来提高主机能效比。
本工程所推荐的天加水源热泵主机采用干式蒸发器，传热效率更高，提高了机组的能效比COP（即输出能量与输入能量之比），从而可以有效节约电能消耗，大大降低运行费用。
5. 运行费用计算
计算公式：
耗电量=设备输入功率×运行台数×每天运行时间×运行天数×日运行系数
1. 运行时间：夏季制冷运行时间为90天，日运行12小时，冬季采暖运行时间为120天，日运行16小时。
2．日运行系数：0.8（查《实用供热空调设计手册》在一日中由于室外温度及气候条件的不同，末端系统负荷随之调节变化）；
3. 电价按0.71元/KW·h计算如下表。
水源热泵机组单位建筑面积的年运行费用为11.09 元/m2，比常规空调分别降低23%（邢台市集中供热费用为18元/m2） 。其投资回收期为4 年。水源热泵空调方案在投资回收期过后，每年为业主节省的运行费用，即为净利润。系统按 15年运行期考虑，因节省运行费用而产生的总利润为186 万元；且水源热泵系统所需要维护的设备较少，维护费用更低。
6. 总结
水源热泵空调系统具有效率高、节能、环保的优点；同时，热泵空调系统技术和产业化已经成熟，本小区集冬季供热采用热泵技术，通过技术经济分析，不仅技术上可行，经济上也合理。根据本文所做的概算，水源热泵的初投资比常规空调稍高，但运行费用低，年节省运行费用约12.43 万元。
参考文献：
[1] 徐伟，等译，朗四维 地源热泵工程技术指南.北京：建筑工业出版社，2001
[2] 范存养.热泵空调及各种热回收系统和空调节能措施.同济大学科技情报站
关键词：供热；热泵；经济性分析
中图分类号：TU833文献标识码： A 文章编号：
0. 引言
水源热泵空调系统是一种可以利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊），和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把水体或地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到水体和地层中去。
水源热泵系统 60 年代开始在美国提出之后，经过 30 年不断改进和发展，技术日趋成熟，其产品已逐渐商品化，迄今已经在北美建筑中应用了 40 多年[1]。进入 70 年代后，这项技术在日本的推广应用很快。东芝、三菱电机、PMAC 公司均有水源热泵产品出售，东京、名古屋、横滨等城市在 70 年代初就有很多采用闭式环路水源热泵空调系统的工程实例[2]。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，在深圳、上海、北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江第四号楼、西安建国饭店、青岛华侨饭店。深圳同贸大厦、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。
1. 工程概况及热泵供热原理
本工程位于河北省邢台市清河县，总建筑面积18000 m2，共6栋楼，每楼共6层，每层2户，共有3个单元，层高2.8m。
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。水源热泵机组工作的大致原理是，夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取热量。其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量,形成高温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。在制热模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向供热水（建筑供暖用水）中放出热量而冷却成高压液体，并使供热水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收低温热源水（地下水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使低温热源水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在冷凝器中获得供热水。
2. 设计参数
该住宅冬季室内设计参数：温度18±2℃，总热负荷为612 KW，热指标为34（W/㎡）。
3. 设备选型
3.1 主机设备选型
机房系统的核心设备即水源热泵主机的选型，我们主要遵循以下原则：一是主机总制热量能够满足建筑负荷要求；二是根据负荷要求尽量选择两台以上主机，互为备用提高系统安全性；三是合理优化，从而最大限度的降低系统初投资及运行费用。
综上所述，我们推荐采用天加公司生产的螺杆型水源热泵机组1台，型号为TESD-BW10170.1，总制热量为627KW可以满足该项目采暖需求。
采用优质电气控制设备，及时相应主控制系统的命令，并且现场分手动、自动转换开关，方便机组维修。传感器信号进入中央控制系统进行PID调节，输出信号控制现场设备。现场启动方式采用变频和软起，节省电力并且延长设备使用寿命。
3.2循环水泵选型
选用上海康大泵业水泵，型号为KDL80/185-11/2，流量61 m3/h，扬程40m，功率11KW，2用1备。
3.3补水泵选型
本工程选用上海上海康大泵业水泵KDL40/170-2.2/2，流量5.3m3/h，扬程36m，功率2.2KW，1用1备。
3.4深井泵选型
在本项目中，地下水最小需求量为54m3/h。根据现场条件打井，回水排至回灌井中。按照当地水文地质资料，水井深度在100-120m，止水25m左右时，单井出水量在80m3/h，抽水井动水位45米左右，同层单井回灌量约为出水量的25～30m3/h。为确保投资的经济性，延长水井使用寿命，保证水井使用质量，该工程共需1口出水量80m3/h，约180m深，2口回灌井。井径DN350高压蒸汽钢筋水泥管水井。详细水井数量及井深、成井工艺待钻孔电测后以测试数据确定。
选配石家庄潜水电泵厂175QJ-50-108型潜水泵。水泵参数如下：型号为250QJ80-100，流量为80m3/h，扬程为100m，功率37KW。
3.5软化水选型
根据设备机组参数，选取软化水设备型号FY-3A，配套软化水箱4m3。
3.6复式旋流除砂器选配：
根据机组运行时对水量要求，选配石家庄宇泉环保设备有限公司生产的复式旋流除砂器1个，工作参数如下：型号为YQXS-125/150；进水压力＞0.3Pa；水处理量为110m3/h；除砂率为＞92%；进水口管径DN125; 出水口管径DN150; 排污口管径DN50。
4. 系统设计节能
地源热泵中央空调系统是一项系统工程，是一种工程概念，一套系统安装完毕后，是否能达到预期的效果，是否能最终实现用户运行费用低廉的愿望，它与我们的系统设计、主机厂家选择、附属设备选型、工程施工、运行维护、售后服务等密不可分。只有经过了科学而严谨的系统优化设计，采用了性能优良、质量可靠、适用于我国地下水状况的主機设备，选择了有丰富地温空调施工经验的施工队伍，后期经过精细而科学的运行维护管理、及时到位的售后服务才能达到我们预期的理想运行效果，否则将会事与愿违。
选择了水源热泵就意味着选择了节能、环保，我们称之为形式节能。但在现有生产条件下，由于主机能效比的高低仅取决于冷凝及蒸发温度，因此，在蒸发温度、冷凝温度相同的条件下，各个厂家主机能效比基本没有差异。在此前提条件下我们只有通过改变蒸发器形式，提高蒸发温度（或降低冷凝温度）来提高主机能效比。
本工程所推荐的天加水源热泵主机采用干式蒸发器，传热效率更高，提高了机组的能效比COP（即输出能量与输入能量之比），从而可以有效节约电能消耗，大大降低运行费用。
5. 运行费用计算
计算公式：
耗电量=设备输入功率×运行台数×每天运行时间×运行天数×日运行系数
1. 运行时间：夏季制冷运行时间为90天，日运行12小时，冬季采暖运行时间为120天，日运行16小时。
2．日运行系数：0.8（查《实用供热空调设计手册》在一日中由于室外温度及气候条件的不同，末端系统负荷随之调节变化）；
3. 电价按0.71元/KW·h计算如下表。
水源热泵机组单位建筑面积的年运行费用为11.09 元/m2，比常规空调分别降低23%（邢台市集中供热费用为18元/m2） 。其投资回收期为4 年。水源热泵空调方案在投资回收期过后，每年为业主节省的运行费用，即为净利润。系统按 15年运行期考虑，因节省运行费用而产生的总利润为186 万元；且水源热泵系统所需要维护的设备较少，维护费用更低。
6. 总结
水源热泵空调系统具有效率高、节能、环保的优点；同时，热泵空调系统技术和产业化已经成熟，本小区集冬季供热采用热泵技术，通过技术经济分析，不仅技术上可行，经济上也合理。根据本文所做的概算，水源热泵的初投资比常规空调稍高，但运行费用低，年节省运行费用约12.43 万元。
参考文献：
[1] 徐伟，等译，朗四维 地源热泵工程技术指南.北京：建筑工业出版社，2001
[2] 范存养.热泵空调及各种热回收系统和空调节能措施.同济大学科技情报站