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【摘要】低温地热水源热泵技术在当前得到了较为广泛的应用，本文对水源热泵的工作原理做了简单的介绍，然后对该技术的应用做了详细的说明，最后参照了海淀区机关职工周转住房水源热泵空调工程的实例，对水源热泵系统进行夏季制冷、冬季供暖进行分析。
【关键词】低温地热水源热泵供暖
中图分类号： TS914.3+2文献标识码： A 文章编号：
地热资源是一种清洁能源。就目前的利用方式来说，其成本较高，而且技术难度较大。通过钻深井寻找地热资源是不经济的。作为浅层地热利用的水源热泵技术，是利用浅层低品位地层能源的一种有效方式，也是国际上近几十年才发展的环保、节能高新技术。
一、水源热泵工作原理
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。
图1 水源热泵机组的工作原理
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
图2 地源热泵技术示意图
二、低温地热水泵供暖技术的应用
1、建筑冷、热负荷计算
列出进行负荷计算的标准和依据，对建筑进行冷、热负荷计算。
在确定建筑负荷时，必须考虑到未来较长时间的气候变化情况。通过对建筑负荷的计算和评估，可以确定水源井换热器的吸热和放热的绝对量值。
表1
表2
2.热指标中已包括约10％的管网热损失在内。
2、设备选型
A、水源热泵机组选型
根据该工程的冷、热负荷情况，选用较为成熟的水源热泵机组。
根据生活热水负荷以及生活热水的使用情况确定是否选用带热回收的热泵机组。
B、水泵的选型
（1）潜水泵的选型
根据建筑的冷、热负荷和井水进、出机组的温差，计算出所需的水量，确定井用潜水泵的流量。考虑井水侧的沿程阻力损失和局部阻力损失，确定潜水泵的扬程。
夏季：
式中，——夏季向水源井内的释热量，kW；
——建筑物的冷负荷，kW；
——机组制冷工况时的效率。
式中，——井水的质量流量；
——水的比热；
——井水出、入机组的温差。
冬季：
式中，——冬季从水源井中的吸热量，kW；
——建筑物的热负荷，kW；
——机组制热冷工况时的效率。
式中，——井水的质量流量；
选取和中的较大者作为井用潜水泵的流量。
（2）空调循环泵的选型
夏季：
式中，——夏季空调循环泵的质量流量；
——水的比热；
——夏季空调侧循环水水出、入机组的温差。
冬季：
式中，——冬季空调循环泵的质量流量；
——水的比热；
——冬季空调侧循环水水出、入机组的温差。
选取和中的较大者作为空调侧循环泵的流量。
考虑空调侧的沿程阻力损失和局部阻力损失，确定循环泵的扬程。
根据流量和扬程确定空调循环泵的型号。
（3）生活热水一次泵的选型
式中，——生活热水一次侧的质量流量；
——生活热水的负荷；
——生活热水一次侧进、出换热器的温差。
根据生活热水一次侧的阻力损失，确定生活热水一次泵的扬程。
（4）生活热水再循环泵的选型
式中，——生活热水二次侧的质量流量；
——生活热水二次侧进、出换热器的温差。
根据生活热水二次侧的阻力损失，确定生活热水再循环泵的扬程。
C、换热器的选型
（1）地下水水源侧换热器
水源的供给分直接供水和间接供水（即通过板式换热器换热）。
有些水源矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。如果通过水处理的办法减少矿化度，费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L时，水源系统可以不加换热器，采用直供连接。当水源水矿化度为350-500mg/L时，可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度＞500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可安装容积式换热器，费用比板式换热器少，但占地面积大。
換热器的容量必须根据计算的热负荷进行选择，其台数与单台的供热能力应满足热负荷的使用要求、分期增长的计划及考虑热源可靠稳定性等因素。单台换热器的工作能力按其额定工作能力的70％计算。
（2）生活热水换热器的选型
对于生活热水量较小的系统，可考虑使用容积式换热器；对于生活热水量较大的系统，也可采用板式换热器，其选型方式同上。
三、水源系统设计
水源热泵系统的可靠性不完全取决于设备的质量和系统的设计，更关键的是要水文地质资料的正确性，机组运行时水源的可靠性与稳定性。
1、注意水源的变化
用地下水做水源时，应首先在工程所在地完成试验井、测出水量、水温及水质资料，然后按工程冷、热负荷及所选的机组性能、板换的设计温差确定需要水源的总水量，最后决定地下井的数量和位置。采用地表水时，还应注意冬夏水温的变化及水位涨落的变化。
2、水供应设计
充足稳定的水量、合适的水温、合格的水质是水源热泵系统正常运行的重要因素。机组冬夏季运行时对水源温度的要求不同，一般冬季不易低于10℃、夏季不易高于30℃，采用地表水时应特别注意。有些机组在冬季可采用低于10℃的水源，但使用时应进行技术经济比较。
关于水质，可参照以下要求：PH值为6.5～8.5，CaO含量<200mg/L，矿化度<3g/L，Cl-<100mg/L，SO42-<200mg/L，Fe2+<1mg/L，H2S<0.5mg/L，含砂量<1/200000。
3、管井工程设计
根据所需水量和地下水回灌需要，结合场地环境和水文地质条件，按一定采灌比确定抽水井和回灌井井数、合理布置井位和井间距。井深应大于变温带深度，以保证冬季水源水温度>10℃。为防止回灌井堵塞，确保水源系统长期稳定供水，抽水井和回灌井应互相切换使用，因此各个井的井深和井身结构应相近。井中滤水管和滤网应有一定强度，能承受抽灌往复水流的压力变换。
4、水处理
如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。
除砂器与沉淀池：当水源水中含砂量较高时，可在水源水管路系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管阀遭受磨损和堵塞。国产旋流除砂器占地面积较小，有不同规格，可按标准处理流量选配除砂器型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低，但占地面积大。
净水过滤器：有些水源，浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。
5、回灌
回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说，出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大；在砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50-70%。细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30-50%。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。
四、海淀区机关职工周转住房水源热泵空调工程的实例分析
海淀区机关职工周转住房水源热泵空调工程
项目总建筑面积为11.8万㎡，其中空调使用面积为9.5万㎡包括住宅部分建筑面积8.6万㎡，幼儿园部分建筑面积约2834㎡，敬老院部分建筑面积约6717㎡。
空调负荷1）设计采暖热负荷：3277KW。2）设计空调冷负荷：5877KW。
3、a、热泵机组选型：根据负荷选用6台涡旋式热泵机组，其中5台型号为HE1200，单台制冷量为1105kw，制热量为1200kw；1台型号为HE600，单台制冷量为552kw，制热量为618kw，6台机组总制冷量6077kw，总制热量6618kw，冬季供暖时最大负荷是开启3台HE1200机组，冷水供、回水温度为7℃/12℃，热水供、回水温度为50℃/45℃。
b、循环泵选型：本项目所需最大循环水量约为1200m3/h。选用6台型号为KQL150-315的循环泵，其各项参数为：流量200m3/h、扬程32m 、功率30kw，6台水泵与机组一一对应。
c、软化水设备选型：选用额定处理水量12~24m3/h的全自动软水器一台。
d、定压补水设备选型：选用流量23. 4m3/h、扬程44m、功率7.5KW补水泵两台，一用一备。膨胀罐总容积暂定2.4m3。
e、旋流除砂器选型：本项目最大井水量约为700m3/h，选用流量250m3/h的旋流除砂器3台。
f、机房面积：本项目机房所需面积约350 m2，机房可设置在地下。
4、a、地下水：经有查阅相关地址资料,建筑所在地区可用地下水为第四系水,第四系以卵砾石层为主,夹黏性土层,出水量较大,水质较好,有利于回灌。
b、水井：根据初步了解该项目所在地情况，暂定井深为100米，单井出水量为100m3/h左右，初定打井15眼，其中8眼井抽水，7眼井回灌。每眼井都下潜水泵，各井互为备用，从而更有利于井水的回灌，保证井水100%回灌。
5、空调末端设计
本项目要求实现制冷、采暖两用，因此末端采用风机盘管系统，采用卧式暗装风机盘管,需与装修配合,将风盘、管道安装在局部吊顶内，保证了冬季供暖、夏季供热。
五、工程经济性分析
1、水源热泵系统经济指标
方案
2、与传统空调及供暖系统相比，采用水源热泵作为热源，可节约运行费用20～40%以上。且一套系統即可实现供暖和制冷，如果采用锅炉供暖，那么夏季制冷需要增加一套制冷机组或采用分体空调，这样不仅占有空间，而且影响建筑的美观。水源热泵节约能源，减少了锅炉用量，大量地降低了温室气体的排放。同时免去了锅炉，燃料间和运行管理等问题。建筑群总体形象也免受破坏，因为建筑物外部不再有烟囱、冷却塔，室外也没有空调挂机
3、利用可再生能源达75％，
4、使用水源热泵没有任何污染物的排放，清洁环保。
结束语
热泵是节能、环保的设备，浅层地能是一种稳定优质的可再生能源，节约了一次能源，环境效益很显著，所以热泵供暖制冷已经成为一种趋势。
参考文献
[1] 陈燕民，刘伟，张文秀.地热及地源热泵技术在我国的应用[J].中国住宅设施.2007(07)
[2] 郑晓菲，贺明健.水源热泵在低温地热生活热水系统的应用[J].煤气与热力.2006(04)
[3] 吴锡刚，刘同僧，何平.地热水的开发利用及存在问题研究[J].地下水.2011(03)
【关键词】低温地热水源热泵供暖
中图分类号： TS914.3+2文献标识码： A 文章编号：
地热资源是一种清洁能源。就目前的利用方式来说，其成本较高，而且技术难度较大。通过钻深井寻找地热资源是不经济的。作为浅层地热利用的水源热泵技术，是利用浅层低品位地层能源的一种有效方式，也是国际上近几十年才发展的环保、节能高新技术。
一、水源热泵工作原理
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。
图1 水源热泵机组的工作原理
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
图2 地源热泵技术示意图
二、低温地热水泵供暖技术的应用
1、建筑冷、热负荷计算
列出进行负荷计算的标准和依据，对建筑进行冷、热负荷计算。
在确定建筑负荷时，必须考虑到未来较长时间的气候变化情况。通过对建筑负荷的计算和评估，可以确定水源井换热器的吸热和放热的绝对量值。
表1
表2
2.热指标中已包括约10％的管网热损失在内。
2、设备选型
A、水源热泵机组选型
根据该工程的冷、热负荷情况，选用较为成熟的水源热泵机组。
根据生活热水负荷以及生活热水的使用情况确定是否选用带热回收的热泵机组。
B、水泵的选型
（1）潜水泵的选型
根据建筑的冷、热负荷和井水进、出机组的温差，计算出所需的水量，确定井用潜水泵的流量。考虑井水侧的沿程阻力损失和局部阻力损失，确定潜水泵的扬程。
夏季：
式中，——夏季向水源井内的释热量，kW；
——建筑物的冷负荷，kW；
——机组制冷工况时的效率。
式中，——井水的质量流量；
——水的比热；
——井水出、入机组的温差。
冬季：
式中，——冬季从水源井中的吸热量，kW；
——建筑物的热负荷，kW；
——机组制热冷工况时的效率。
式中，——井水的质量流量；
选取和中的较大者作为井用潜水泵的流量。
（2）空调循环泵的选型
夏季：
式中，——夏季空调循环泵的质量流量；
——水的比热；
——夏季空调侧循环水水出、入机组的温差。
冬季：
式中，——冬季空调循环泵的质量流量；
——水的比热；
——冬季空调侧循环水水出、入机组的温差。
选取和中的较大者作为空调侧循环泵的流量。
考虑空调侧的沿程阻力损失和局部阻力损失，确定循环泵的扬程。
根据流量和扬程确定空调循环泵的型号。
（3）生活热水一次泵的选型
式中，——生活热水一次侧的质量流量；
——生活热水的负荷；
——生活热水一次侧进、出换热器的温差。
根据生活热水一次侧的阻力损失，确定生活热水一次泵的扬程。
（4）生活热水再循环泵的选型
式中，——生活热水二次侧的质量流量；
——生活热水二次侧进、出换热器的温差。
根据生活热水二次侧的阻力损失，确定生活热水再循环泵的扬程。
C、换热器的选型
（1）地下水水源侧换热器
水源的供给分直接供水和间接供水（即通过板式换热器换热）。
有些水源矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。如果通过水处理的办法减少矿化度，费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L时，水源系统可以不加换热器，采用直供连接。当水源水矿化度为350-500mg/L时，可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度＞500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可安装容积式换热器，费用比板式换热器少，但占地面积大。
換热器的容量必须根据计算的热负荷进行选择，其台数与单台的供热能力应满足热负荷的使用要求、分期增长的计划及考虑热源可靠稳定性等因素。单台换热器的工作能力按其额定工作能力的70％计算。
（2）生活热水换热器的选型
对于生活热水量较小的系统，可考虑使用容积式换热器；对于生活热水量较大的系统，也可采用板式换热器，其选型方式同上。
三、水源系统设计
水源热泵系统的可靠性不完全取决于设备的质量和系统的设计，更关键的是要水文地质资料的正确性，机组运行时水源的可靠性与稳定性。
1、注意水源的变化
用地下水做水源时，应首先在工程所在地完成试验井、测出水量、水温及水质资料，然后按工程冷、热负荷及所选的机组性能、板换的设计温差确定需要水源的总水量，最后决定地下井的数量和位置。采用地表水时，还应注意冬夏水温的变化及水位涨落的变化。
2、水供应设计
充足稳定的水量、合适的水温、合格的水质是水源热泵系统正常运行的重要因素。机组冬夏季运行时对水源温度的要求不同，一般冬季不易低于10℃、夏季不易高于30℃，采用地表水时应特别注意。有些机组在冬季可采用低于10℃的水源，但使用时应进行技术经济比较。
关于水质，可参照以下要求：PH值为6.5～8.5，CaO含量<200mg/L，矿化度<3g/L，Cl-<100mg/L，SO42-<200mg/L，Fe2+<1mg/L，H2S<0.5mg/L，含砂量<1/200000。
3、管井工程设计
根据所需水量和地下水回灌需要，结合场地环境和水文地质条件，按一定采灌比确定抽水井和回灌井井数、合理布置井位和井间距。井深应大于变温带深度，以保证冬季水源水温度>10℃。为防止回灌井堵塞，确保水源系统长期稳定供水，抽水井和回灌井应互相切换使用，因此各个井的井深和井身结构应相近。井中滤水管和滤网应有一定强度，能承受抽灌往复水流的压力变换。
4、水处理
如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时，可以采取相应的技术措施进行水质处理，使其符合机组要求。
除砂器与沉淀池：当水源水中含砂量较高时，可在水源水管路系统中加装旋流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和管阀遭受磨损和堵塞。国产旋流除砂器占地面积较小，有不同规格，可按标准处理流量选配除砂器型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。沉淀池费用比除砂器低，但占地面积大。
净水过滤器：有些水源，浑浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对浑浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。
5、回灌
回灌量大小与水文地质条件、成井工艺、回灌方法等因素有关，其中水文地质条件是影响回灌量的主要因素。一般说，出水量大的井回灌量也大。在基岩裂隙含水层和岩溶含水层中回灌，在一个回灌年度内，回灌水位和单位回灌量变化都不大；在砾卵石含水层中，单位回灌量一般为单位出水量的80%以上。在粗砂含水层中，回灌量是出水量的50-70%。细砂含水层中，单位回灌量是单位出水量的30-50%。采灌比是确定抽灌井数的主要依据。
四、海淀区机关职工周转住房水源热泵空调工程的实例分析
海淀区机关职工周转住房水源热泵空调工程
项目总建筑面积为11.8万㎡，其中空调使用面积为9.5万㎡包括住宅部分建筑面积8.6万㎡，幼儿园部分建筑面积约2834㎡，敬老院部分建筑面积约6717㎡。
空调负荷1）设计采暖热负荷：3277KW。2）设计空调冷负荷：5877KW。
3、a、热泵机组选型：根据负荷选用6台涡旋式热泵机组，其中5台型号为HE1200，单台制冷量为1105kw，制热量为1200kw；1台型号为HE600，单台制冷量为552kw，制热量为618kw，6台机组总制冷量6077kw，总制热量6618kw，冬季供暖时最大负荷是开启3台HE1200机组，冷水供、回水温度为7℃/12℃，热水供、回水温度为50℃/45℃。
b、循环泵选型：本项目所需最大循环水量约为1200m3/h。选用6台型号为KQL150-315的循环泵，其各项参数为：流量200m3/h、扬程32m 、功率30kw，6台水泵与机组一一对应。
c、软化水设备选型：选用额定处理水量12~24m3/h的全自动软水器一台。
d、定压补水设备选型：选用流量23. 4m3/h、扬程44m、功率7.5KW补水泵两台，一用一备。膨胀罐总容积暂定2.4m3。
e、旋流除砂器选型：本项目最大井水量约为700m3/h，选用流量250m3/h的旋流除砂器3台。
f、机房面积：本项目机房所需面积约350 m2，机房可设置在地下。
4、a、地下水：经有查阅相关地址资料,建筑所在地区可用地下水为第四系水,第四系以卵砾石层为主,夹黏性土层,出水量较大,水质较好,有利于回灌。
b、水井：根据初步了解该项目所在地情况，暂定井深为100米，单井出水量为100m3/h左右，初定打井15眼，其中8眼井抽水，7眼井回灌。每眼井都下潜水泵，各井互为备用，从而更有利于井水的回灌，保证井水100%回灌。
5、空调末端设计
本项目要求实现制冷、采暖两用，因此末端采用风机盘管系统，采用卧式暗装风机盘管,需与装修配合,将风盘、管道安装在局部吊顶内，保证了冬季供暖、夏季供热。
五、工程经济性分析
1、水源热泵系统经济指标
方案
2、与传统空调及供暖系统相比，采用水源热泵作为热源，可节约运行费用20～40%以上。且一套系統即可实现供暖和制冷，如果采用锅炉供暖，那么夏季制冷需要增加一套制冷机组或采用分体空调，这样不仅占有空间，而且影响建筑的美观。水源热泵节约能源，减少了锅炉用量，大量地降低了温室气体的排放。同时免去了锅炉，燃料间和运行管理等问题。建筑群总体形象也免受破坏，因为建筑物外部不再有烟囱、冷却塔，室外也没有空调挂机
3、利用可再生能源达75％，
4、使用水源热泵没有任何污染物的排放，清洁环保。
结束语
热泵是节能、环保的设备，浅层地能是一种稳定优质的可再生能源，节约了一次能源，环境效益很显著，所以热泵供暖制冷已经成为一种趋势。
参考文献
[1] 陈燕民，刘伟，张文秀.地热及地源热泵技术在我国的应用[J].中国住宅设施.2007(07)
[2] 郑晓菲，贺明健.水源热泵在低温地热生活热水系统的应用[J].煤气与热力.2006(04)
[3] 吴锡刚，刘同僧，何平.地热水的开发利用及存在问题研究[J].地下水.2011(03)