空氣源熱泵與水源熱泵特點分析及應用

趙恩榮 徐廣才

通用技術集團工程設計有限公司 山東 濟南 250031

為了提高室內環境的舒適程度，對室內溫度進行針對性控制能夠達成較好的體驗效果。傳統的采暖系統和空調系統在運行過程中都會出現功耗較大的情況，并且現階段此類裝置被大規模投入，其所使用的能源都是通過化石能源燃燒形成的，在能源產生的過程中會造成一定程度的環境污染，化石能源的消耗也不符合可持續性發展的需求，因此在現有暖通供暖系統的基礎上，通過加入新的設計要素對這些傳統的溫度控制措施進行優化。一方面降低該系統在運轉過程中所需消耗的能源，提高原料的使用效率，達到更好的能源輸出水平，同時減少化石能源的消耗，減少在供暖過程中所造成的能源消耗和環境污染。采用更加環保節能綠色的方式來進行溫度調節，在確保室內溫度舒適的前提下，又能夠與周邊環境形成友好關系。

1. 空氣源熱泵與水源熱泵的特點分析

1.1 空氣源熱泵

該類型熱泵由電動機驅動，利用空氣中存在的熱量作為低溫熱源，經過空調蒸發器進行熱交換，通過循環系統提取其中的熱量。利用基礎的循環裝置，將熱量轉移到建筑物內需投放的區域。

1.1.1 優點

空氣源熱泵結構較為簡單，安裝迅速并且很多結構是模塊化形式，不需要單獨為其設置機房進行組裝，可以在更多空間條件下進行布置。而且結構簡單帶來的另一個好處在于其占地面積也能夠得到更好的控制。

整體控制管理機制較為明確，進行操作管理時，出現故障和誤操作的可能性較低，并且空氣源熱泵有自動控制系統的集成，可以根據布置在節點的感應器對周圍環境進行密切監控。同時與中央控制系統的聯動，自動完成溫度調節和流量調節。這樣一來，工作人員的勞動強度可以大大降低，人為干預的次數減少，節約了相應的人力成本投入。機械在接受和下達指令方面所需的等待時間更短，可以有助于提升系統整體的工作運行效率，還可以規避由于人工失誤操作而產生的低級錯誤。

與燃氣和燃煤鍋爐相比，采用空氣源熱泵能夠實現污染控制。在其投入使用的過程中不會像空氣排放硫化物氮化物，可以更好的保護周圍環境，因此即使在人口密集區也可以投入使用，特別適合新型社區的使用環境。在自動化智能化技術的價值下，可以實現單一中心節點覆蓋一大片區域的使用狀態，這樣一來就可以在人工成本投入方面取得較好的收益，并且智能控制系統的加入能夠實現更加精確的能耗控制。符合未來該類型裝置控制發展的方向，在現階段通過總結經驗的方式，能夠為未來的全面普及打好基礎。

1.1.2 缺點

由于該類型熱泵設備與空氣之間會直接換熱，所以一般設備會被安裝在室外。對于外部美觀有要求的建筑物，使用這種設備要謹慎，可能會破壞其外觀裝飾效果。需要在設備外部進行特殊處理，例如設置遮擋物，遮擋對象一般是百葉，而對百葉進行遮擋又會直接影響機械是使用效率。因此在對其進行遮擋時要考慮到百葉不同運行狀態受遮擋后的影響程度，盡可能避免由于遮擋而造成百葉運行狀態失調，產生安全隱患。由于空氣熱源泵采用的是對流式室內末端，因此熱舒適性和傳統散熱器相比較差。即使能夠通過對使用區域的溫度變化情況進行反饋調節，但由于整體產生的熱量調節幅度有限，所以依然會與傳統的制暖裝置效果有一定的差距。在我國北方地區冬季外部氣溫長時間處于零下，很容易在機體外表出現結霜熱泵，化霜工作時不但不能制熱，還會產生較大的噪音。當工作環境處于零下10℃以及更低的環境時，空氣熱源泵機組的工作效率會急劇下降，甚至會出現不能啟動的情況。

1.2 水源熱泵

水源熱泵的工作原理是利用地表淺層水源，例如地下河，地下水和湖泊所吸收的太陽能以及地熱能形成的低品位熱能資源，采用熱泵原理通過少量高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能進行轉移。

1.2.1 優點

水源熱泵的能量來源主要來自于地表水取之不盡，用之不竭。與傳統的燃氣鍋爐相比，整個取暖過程不需消耗額外的化石資源，驅動力也僅需少量電能即可完成。對所處區域的環境很友好，整個水泵運轉過程也能夠實現節能高效的運行狀態。不會額外出現污染情況，并且省去了為基礎構造鍋爐房和附帶設施的時間和空間，既節約了建筑成本，又降低了成本投入。而且水源熱泵在運轉過程中不會出現任何污染環境的物質，具有明顯的環保優勢。

1.2.2 缺點

水源熱泵系統的使用與所屬地區地下水水位、水量、水溫息息相關，在水資源充足的地區，其使用沒有明顯限制，但容易受到水位變化的影響。如果當地水資源不穩定，就會影響到機組工作的穩定性和熱效率。由于過于依賴地下水，如果地下水質不適合基礎運行就會導致基礎設備使用壽命急劇縮短，例如投入使用的地區地下水質含鹽量較高或pH值超過了機組推薦使用范圍，亦或是地下水中含有較多泥沙都會對機組結構件造成磨損和破壞，縮短使用時間，并增加了后期運營維護所需投入的成本，為機組運行可靠增加了不確定性因素。

對于供暖功能敏感的區域位置就不能采用這樣的方式進行供暖，否則可能會產生嚴重的后果。常見的水源熱泵系統能夠提供的供熱溫度上限受到運行效率的限制，一般只能達到45攝氏度，對于散熱器和空調機主而言，這一溫度屬于較低水平，只適用于地面輻射供暖系統。當服務對象屬于對供暖要求更高的情況，這種熱泵就無法實現其設計功能預期。在實際使用過程中，這種供暖方式一般只能作為輔助因素加入，為了達成既定的溫度調節目標，還需要投入一部分傳統的制熱裝置。

1.2.3 小結

即便如此，在加入新的供暖方式之后，也確實能夠使供暖裝置的能源消耗率降低明顯的百分比，實現對化石能源的節約使用，有效降低了過程中所需消耗的能源數量，減少對外環境的污染。在實際應用過程中，已有的溫度控制系統完全可以利用，節約前期的成本投入規模。同時使溫度控制狀態能夠更加穩定。

2. 工程實例介紹

為了讓更多的讀者能夠了解到該類型機主在投放使用過程中的注意事項及重點難點文章列舉作者實際參與的工作經驗，通過實例分析的方式，幫助大家更加準確的了解到對兩種熱泵使用效率可能造成影響的因素。

作者所參與的改造項目熱泵系統原有建筑面積43,000m2，新建建筑面積為23,000m2。園區內主要功能為溫泉度假酒店項目所處區域已有溫泉水井，可以通過對原有的水源供熱系統進行改造來實現基本需求，考慮到酒店洗衣房對于蒸汽需求以及日常溫泉加熱，項目部對于施工區域現有的一座可以正常投入使用的鍋爐房，也進行了相應的利用。由于原有的鍋爐房距離建筑物較遠，為了達到更好的控溫效果，在項目實施階段選擇采用空氣源壁掛式分體空調。這樣做的好處是可以盡可能減少外線手續鋪設的長度，節約施工成本，并且能夠減少在管線中出現的能量消耗。

2.1 工程區域氣象參數

施工所在的北京豐臺區，屬于大陸性半濕潤季風氣候，冬季外部平均溫度為-10℃，年平均溫度為11℃，夏季室外的平均溫度為33.5℃。

2.2 主要設備設計參數

2.2.1 螺桿式水源熱泵機組選型

為達到較為穩定的制冷效果，同時是為了適應施工建設面積，選擇采用4管制系統來進行溫度控制，同時增加兩組螺桿式水熱泵機組。加上施工區域原有的三臺。冷水源泵機主合計質量可以達到3,329kw，其余的熱量由鍋爐房進行補充，供暖系統選擇蒸汽熱水板式換熱器來進行。

兩臺新增的制冷技術為主要的制冷裝置，主要是承擔系統供冷功能，在調節供的高峰期，由于荷載的限制有所欠缺，因此需要串聯一臺原有基礎，以確保在高峰期時效果能夠滿足需求。

2.2.2 采暖板式換熱器

選擇可拆卸的汽水換熱器裝置兩套作為供暖裝置，可以負擔供暖任務中70%的份額。根據板塊工作壓力和供氣選擇相適宜的蒸汽減壓閥，在前部后部加入閥門和壓力表。在出口處安裝泄壓安全閥，確保換熱器工作穩定，經測量蒸汽減壓閥出口壓力為0.4Mpa，進口壓力為0.6Mpa。換熱器二次熱水溫度可以達到55℃，在二次熱水進出口加裝有熱力變送器和溫度傳感器，能夠向監測中心實時傳輸當前熱水溫度和流經區域的溫度分布情況，幫助控制中心人員掌握全局供熱效果，及時調整供熱等級。

2.2.3 系統循環水泵

為了節約能耗，提高熱量使用效率，在原有基礎上增加了水源熱泵循環供暖系統。由于系統中自帶有采暖循環水泵，所以不需再額外加入，采暖板換二次進口管道。

2.2.4 生活系統熱水板式轉熱器

選擇兩臺可拆卸板式汽水換熱器，每臺負擔70%的熱負荷，換熱面積能夠達到50㎡，管口直徑選用DN80，二次熱水溫度可以達到60℃。

結束語：

采用空氣源熱泵與水源熱泵，可以對現有溫度調節系統進行有力的補充，并且過去的溫度調節裝置在使用過程中伴隨著能源消耗和環境污染問題，而本文所介紹了兩種新型技術，則可以在這方面實現與周圍環境的友好發展。