(1)中國建築科學研究院空調研究所；2.北京地質礦產勘查開發公司)
摘要:隨著空調技術的發展，水源熱泵系統的應用越來越廣泛。在現有的大型建築中，壹般采用夏季供冷、冬季供暖，很少在夏季供冷的同時提供生活熱水的供暖。友誼賓館專家樓的水源熱泵系統不僅用於夏季空調，還為整個賓館園區提供生活熱水。設計中充分考慮了取熱和取冷的平衡。
水源熱泵系統以其節能、壹機多用的優勢，被廣泛應用於各種工程的空調系統中。水源熱泵系統利用淺層地下水作為夏季空調冷卻水源，再向地下回灌；冬季以地下水為最大熱源，利用熱泵機組輸入部分電力為供暖系統供熱。目前水源熱泵工程基本實現了壹個系統冬夏季使用，但夏季使用時，利用井水冷能後直接排入地下。但如果能作為制取生活熱水的熱量，水源熱泵系統的節能性將進壹步提高。
1工程概述
北京友誼賓館是亞洲最大的四星級花園酒店，位於中關村高科技園區的核心中關村大街。新建專家樓位於酒店園區南部，總建築面積12724m？，包括新建遊泳池和網球場，總建築面積21734m？。根據計算，整個新建工程的空調負荷夏季為2537kW，冬季為3277.4kW。專家樓末端同時采用供暖系統和風機盤管加新風系統，遊泳池采用地暖系統。整個機房承擔的負荷如下:
淺層地熱能:全國地熱(淺層地熱能)開發利用現場經驗交流會論文集
繼續的
2系統設計
根據友誼賓館的要求，系統設計需要滿足以下要求:
(1)可滿足專家樓及附屬建築冬季供暖、夏季供冷的要求；園區夏季生活熱水用量和專家樓全年生活熱水用量需求。
(2)專家樓冬季供暖分為兩部分:低溫水源熱泵機組(R22)為風機盤管+新風系統提供熱水，高溫水源熱泵機組(R134a)為供暖系統提供熱水；
(3)高溫水源熱泵機組冬季還為專家樓提供生活熱水，過渡季節開啟高溫機組為專家樓提供熱水；
(4)夏季高溫機組優先提供生活熱水供暖，冷量供給空調系統，剩余冷量由低溫機組提供。根據上述原則，設計系統如下(圖1):
為了滿足不同季節的運行要求，系統需要通過切換閥門和啟停不同的泵來實現。在運行期間，分為以下運行條件:
(1)夏季，閥門V1、V3、V5、V7開啟，V2、V4、V6、V8、V9、V10關閉。高溫機組保證園區生活熱水利用熱量，多余的冷量進入專家樓空調水循環系統，不足的冷量由低溫機組補充。井水只用於為低溫機組提供冷卻水。專家樓的供暖系統在夏季關閉。
(2)在冬季，閥門V2、V4、V6、V8、V9和V10打開，V1、V3、V5和V7關閉。高溫機組和低溫機組均采用井水作為熱源。低溫機組為專家樓及附屬樓的風機盤管空調和新風系統供熱，高溫機組為專家樓的供暖系統供熱。
(3)在過渡季節，打開V2和V4，關閉所有其他閥門。高溫機組為專家樓提供生活熱水，井水也作為熱源。
2.1井水系統
井水系統作為系統的主要冷熱源，在任何情況下都必須滿足制冷和制熱的要求。為了保證所有功能的實現，共打了5口井，都是抽水灌溉井，既可以做抽水井，也可以做回灌井。新井1、3為抽油井，新井4為抽油井備用井。原老井3號、4號、5號、6號，新井2號、4號、5號作為回灌井。最大負荷出現在冬季，所需井水最大小時用水量為400m3/h，根據井水原始數據，單井最大出水量為200 m3/h，壹般情況下兩口井最大出水量為400 m3/h，足以滿足冬季負荷。夏季最大小時用水量為312m3/h，設計冬夏溫差為7℃。正常情況下，運行方式為兩抽兩灌。如果超過設計負荷，可以達到兩抽三灌或三抽四灌。
圖1友誼賓館新建專家樓熱泵系統
2.2單位選擇
根據友誼賓館的冷熱負荷，初步選擇了清華同方SGHP1800 A低溫機組三臺，HGHP1200 A高溫機組三臺。
淺層地熱能:全國地熱(淺層地熱能)開發利用現場經驗交流會論文集
實際運行中，夏季高峰負荷時，可啟動兩臺低溫機組或兩臺高溫機組+1低溫機組。冬季用電高峰時，啟動兩臺高溫機組供給供暖系統，兩臺低溫機組供給空調供暖。多余的熱泵機組壹方面可以作為系統備用，另壹方面可以預留給改造工程的空調系統。
3.空調冷熱水的匹配
以往的水源熱泵系統壹般提供單壹的冷熱源，很少兩端同時使用冷熱。因此，在夏季不影響空調制冷的前提下，生活熱水系統宜采用回熱式，這樣在生活熱水負荷達到高峰時不會影響空調的使用。同時，當生活熱水負荷過大時，可以耗散過多的冷能，也需要備用的冷卻系統。初步分析，大部分時間生活熱水負荷遠小於空調負荷。因此，考慮到兩個因素，在系統設計中，我們保證高溫機組只保證熱水的供應，多余的冷量由低溫機組提供。但是，當熱水負荷高於空調負荷時，沒有單獨的熱泵機組來提供。
設計前，通過對友誼賓館2005年8月12至8月15生活熱水的監測，各小時熱水消耗量如下(圖2)。
圖2友誼賓館生活熱水用量負荷表
從上圖可以看出，生活熱水最大小時耗熱量集中在早上7: 00 ~ 9: 00和下午16: 00 ~ 18: 00之間。最大小時用水量為37m3/h，高峰最長持續時間為2小時。生活熱水是壹個相對穩定的狀態量，空調負荷會隨著室外溫度的變化而變化，不同時期空調負荷變化很大。而且當空調負荷低於熱水負荷時，初步設計中暫不考慮備用情況。因此，需要分析在什麽情況下需要備用熱水供暖系統。
忽略熱損失和無用功，機組的制熱量是制冷量和輸入功率之和。為了保證機組供熱的穩定性，我們直接評估制冷量和制熱量的平衡。
新建專家樓每日最大空調負荷與平均熱水負荷對比曲線見圖2。從圖中可以看出，在達到最大負荷的當天，除了夜間22點至淩晨1點之間制熱量小於制冷量外，大部分時間生活熱水負荷遠低於空調負荷，這期間熱水消耗量為55m3。該系統采用壹個52立方米的蓄熱式生活熱水箱。即使晚上不開空調機組，白天熱水箱儲存的生活熱水也能滿足晚上熱水使用的要求。
通過分析不同空調負荷下的匹配情況，發現當空調負荷小於55%時，熱泵熱水系統不能滿足全園生活熱水的用熱需求。因此，建議在空調負荷不高於55%時，采用原燃氣鍋爐加熱熱水系統。
4節能效果分析
使用水源熱泵代替普通空調的優點是，無論夏季室外溫度如何，井水都維持在65438±05℃左右，冷水機組的效率始終維持在較高水平。水源熱泵系統在冬季使用，大部分熱量來自地下，輸入的電能僅占總熱量的25% ~ 30%。
以本項目為例，最大冷負荷為2537kW，最大熱負荷為3277kW。不同模式下的空調和供暖費用對比如下:
夏季相同負荷下不同空調形式運行費用的比較
淺層地熱能:全國地熱(淺層地熱能)開發利用現場經驗交流會論文集
冬季供暖相同負荷下不同供暖方式的運行費用比較
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從上表可以看出，水源熱泵在夏季最大負荷下的小時能耗成本比中央空調低10%左右，比分系統空調低30%以上。冬季采暖費優勢更明顯，比天然氣鍋爐低20%。
如果按照壹個供暖季(150天)計算，可以得出新建專家樓幾種供暖方式的運行費用如下:燃油鍋爐，45.23元/m2；燃氣鍋爐，27.61元/m2；風冷熱泵，36.68元/m2；水源熱泵，21.09元/m2。
圖2最大日冷負荷和生活熱水負荷對照表
可見，在友誼賓館現有的供暖方式中，水源熱泵是最節能的，運行費用也是最低的。
夏天水源熱泵和其他中央空調差距不大，只是因為井水溫度比較恒定，平均制冷效率比普通中央空調高。但是友誼賓館因為利用冷凝熱加熱生活熱水，在得到空調的同時，免費得到了壹部分生活熱水。
根據生活熱水分析結果，當空調日總負荷達到最大日總負荷的55%以上時，空調余熱產生的熱水可為全園生活熱水提供。夏季空調日總負荷在最大日總負荷的55%以上為60%左右，平均負荷值按75%計算，50℃生活熱水量約為35220m3。由於每天的生活熱水量基本不變，每個季節有效使用的生活熱水量約為3萬m3，可節約燃氣16.59萬m3，節約費用約為315.2萬元。目前的運行方式是，空調負荷低時，熱泵機組和燃氣鍋爐同時供熱，空調負荷高時，只有熱泵機組提供熱水。這種運行方式將在現有基礎上進壹步節能，加快投資回收。
目前專家樓的空調系統沒有完全投入使用，無法詳細了解空調的運行成本。但根據7月8日至7月20日的記錄，整個機房的總用電量考慮為全部用於加熱生活熱水，每立方米熱水的費用為20.23元。如果這樣計算，相當於每天投入20.23元/m3的熱水，供應的空調冷量是免費獲得的。可見友誼賓館水源熱泵系統具有良好的節能前景。
5結論
(1)水源熱泵系統由於使用的地下水溫度相對恒定，可靠性高，在夏季比常規中央空調具有更高的能效比。
(2)夏季利用熱泵冷凝器的熱量加熱生活熱水是可行的。在優先考慮生活熱水系統的情況下，熱泵熱水供應系統只有在空調負荷達到壹定要求後才能啟動。在低負荷情況下，建議采用其他供暖方式或單獨設置壹臺單熱水供應的熱泵。
(3)夏季利用高溫冷凝熱加熱生活熱水系統，可以減少地下水的利用。與沒有生活熱水的系統相比，只是增加了換板的投資，能給用戶帶來巨大的收益。
(4)冬季幾種供暖方式中，由於地下水溫度恒定，熱泵機組可以利用大量低品位熱能，減少電能的用量，運行費用在幾種供暖方式中最低。因此，在地下資源豐富、回灌條件好的地區，建議優先采用這種供熱方式。