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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