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。由于热泵是提取自然界中能量, 效率高, 没有任何污染物排放, 是当今最清洁、经济的能源方式之一。在资源越来越匮乏的今天, 作为人类利用低温热能的最先进方式之一, 热泵技术已经在全世界范围内受到广泛关注和重视。从经济性上比较, 热泵热水系统的日常能源费用与燃气锅炉相当, 约为燃油锅炉的2/3, 电锅炉的1/3, 如果再考虑与空调系统联合, 还可以进一步节约能源费用。因此对于一些采用水源热泵空调系统同时又有热水需求的工程, 如何选择一个合适的系统需要设计者精心考虑。

　　 笔者通过总结、回访以下几个典型项目: (1) 某6万m²的县级医院, 900张床位, 病房定时供应热水, 采用地源热泵制冷及采暖, 同时制备生活热水, 项目已投入使用4年; (2) 某大学体育馆, 空调采用再生水 (中水) 源热泵系统, 利用热回收机组供应体育馆淋浴, 项目已建成, 目前处于调试阶段; (3) 某18万m²综合性医院, 800张床位, 病房、手术室、供应中心、食堂、门急诊供应热水, 业主要求全日制供应热水, 采用地源热泵制冷及采暖, 同时制备热水, 设锅炉房用于补充, 项目处于在建阶段;以及与厂家和管理人员的交流, 总结了设计中遇到的一些问题并提出解决方案, 供项目设计参考。

　　 热水系统的设计, 首先需要确定设计小时耗热量, 用于向暖通专业提条件以及加热设备选型。设计小时耗热量的计算可以按照《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年版) 5.3.1条执行, 然后把该数值提供给暖通专业, 在暖通专业确定热泵机组选型过程中, 给排水专业需要参与, 主要因为以下几个问题会影响热泵机组选型:

　　 (1) 热水系统温度。一般暖通专业供热温度为40~50℃, 水源热泵机组一般在50℃以下COP较高, 而给排水专业需要60℃甚至更高的温度, 如医院等易滋生病菌处的集中热水供应系统加热设备的供水温度宜为60~65℃, 其他建筑集中热水供应系统加热设备的供水温度宜为55~60℃。如果给排水专业要求热泵出水温度为65℃, 那么随着热泵机组制热COP降低, 造成热泵机组选型增大以及打井数目 (水源量) 增加, 同时循环工质需要选用氟利昂R134a, 一般氟利昂R134a最高制热温度60~65℃。

　　 (2) 通常在夏季暖通专业利用水源热泵制冷, 向地下散热, 如果向地下散热太多, 还需要增设冷却塔散热, 如果可以同时制备生活热水, 节能效果明显, 而且对土壤热平衡效果较好, 因此机组就需要选取带热回收功能。热回收分为全热回收和部分热回收 (热回收率10%~30%, 部分热回收机组对热泵机组制冷COP的影响相对较小) , 这就需要比较制冷的功率以及制热水功率的大小, 确定采取全热回收机组还是部分热回收机组。而在冬季, 利用水源热泵供热以及制备生活热水, 均需要取热, 机组选型以及计算打井的数量时不是简单地把供热系统以及生活热水的设计小时耗热量简单叠加, 而是要根据供热曲线, 分析供热量波峰值出现在什么时间以及持续时间来确定设备容量。通常选用几台机组供热, 另设几台供生活热水, 如果冬天该部分机组能够满足生活热水制备要求, 那么春、秋过渡季节该部分机组均能满足生活热水制备需求。

　　 (3) 通常来说暖通专业所需计算容量往往大于给排水专业制热水容量, 在选定机组时, 2~3台供热 (带热回收) , 1台专门供生活热水, 这样生活热水供应容量能够满足, 但是这样选型供热水安全性不够, 如果机组故障, 将影响生活热水供应, 尤其是医院热水供应系统要求供热设备不得少于2台, 这就需要配置2台或者通过配置辅助热源来解决。

　　 (4) 体育馆机组选型。某体育馆, 总计70个淋浴器, 定时供热水, 设计小时热水量11.5 m³/h, 供热量738kW。空调冷负荷3 600kW, 空调热负荷2 186kW。机组选型:2台水源热泵机组 (制冷量1 020kW, 空调工况制热量1 040kW, 生活热水工况制热量940kW) +1台全热回收水源热泵机组 (夏季:制冷量1 020kW, 热回收量1 015kW;冬季:空调工况制热量1 040kW, 生活热水工况制热量940kW) 。生活热水一次侧供水温度60℃, 利用板换制备生活热水, 夏季全热回收水源热泵机组提供空调制冷所需冷量, 热回收制备生活热水, 冬季该台机组专门制备生活热水, 过渡季节视制冷工况开启全热回收或直接制热。

　　 加热设备出水温度影响设备的选型, 加热设备出水温度应根据原水水质、使用要求、热水系统的大小以及消毒设施灭菌效果等确定。当冷水硬度小于120mg/L (以CaCO₃计, 下同) 时, 出水温度宜小于70℃, 当冷水硬度大于120mg/L时, 出水温度宜小于60℃, 集中热水系统配水点温度不应小于45℃。如果热泵热水系统采用直接换热方式, 热泵出水温度等于热水设计温度;如果采取间接换热方式, 热泵出水用作热源水, 则要考虑换热器的因素, 热泵出水温度需要比热水设计温度高2~5℃。

　　 水源热泵热水系统宜根据冷水硬度、冷热水压力平衡要求、热水机组冷凝器寿命及承压要求等因素比较确定采用直接换热还是间接换热方式。直接换热系统的优点是热效率高, 系统简单;缺点是冷水水质不好时可能造成热泵机组内冷凝器等结垢或堵塞, 影响其使用寿命, 而且如果循环工质泄漏可能会污染生活热水。因此直接换热系统适用于冷水硬度小于150mg/L, 并且对热水水质要求不高的场所。间接换热系统的优点是循环工质泄漏时不会污染生活热水, 冷水水质不好时也不会影响热泵机组;缺点是热效率较低, 系统复杂, 热水出水温度较低。通常间接换热系统用于冷水硬度大于150mg/L, 并且对热水水质要求较高的场所。为了提高换热效率, 提高热水出水温度, 通常采用板式换热器换热。对于一些高层或者超高层项目, 热水供水压力较大, 为了降低冷凝器承压要求, 通常采取间接换热系统。

　　 考虑水源热泵的加热机理, 一般需要设贮热水装置来降低热泵机组的输出功率。需要根据冷凝器承压能力、运行管理条件、设备占地面积、造价、节能要求等综合考虑采用开式供水系统还是闭式供水系统。闭式供水系统可以直接利用原有冷水进水压力, 系统较为简单, 但是贮热水罐为压力容器, 造价较高;开式供水系统造价较便宜, 但是需要重新增压, 浪费能源, 同时需要调整压力做到冷热压力平衡, 系统比较复杂。通常热水系统规模比较小, 贮热容积不大, 采用贮热水罐对造价影响不大, 可以选用闭式供水系统;如果热水系统规模大, 贮热容积较大, 采用贮热水罐对造价以及设备占地影响较大, 可以选用开式供水系统。

　　 考虑到水源热泵的加热机理, 通常需要设置贮热水箱 (罐) , 而且考虑到热泵机组一次投资费用高, 适当增大贮热容积, 可采用较小型机组, 既经济又可减轻对水源的供水、循环流量的要求。贮热水箱 (罐) 的总贮热水容积的计算按照《建筑给水排水设计规范》5.4.2B条执行, 全日制供应按照计算 (公式参数注释详见规范, 本文η (t_r-t₁) Cρt略) , 其中Q_g为设计小时供热量, 如果采用热回收组合供热机组, 夏季供热水量会大于冬季, 应按照冬季最不利情况计算;设计小时耗热量持续时间没有现成值, 通常可按2~4h取值;也可按最大小时用水量来计算贮热容积, V_r=T₀Q_rh, T₀取0.5~2h。V_r确定后, 宜按Q_g核算蓄热时间, 根据用水规律判断时间过长 (过短) 时可增加 (减少) Q_g。如果贮热容积较大, 会出现热泵机组供热量较小;贮热容积较小, 热泵机组供热量较大, 增加投资。

　　 对于定时热水供应系统, 规范规定贮热水箱 (罐) 的有效容积为定时供应最大时段的全部热水量。如果项目规模较大, 比如县级医院定时供水, 按照500张床位, 定时供应2h计算, 贮热容积为116m³, 水箱将非常大, 建议可以参照全日制计算法, 考虑用热水时热泵机组同时往热水系统补热, 那么贮热容积可以减去用水时间热泵机组的供热量Q_g, 而且可以采取增大Q_g减小贮热容积。按照理论计算, 如果热泵机组的供热量Q_g大于等于设计小时耗热量Q_h, 贮热水箱 (罐) 容积V_r为零, 但是考虑热泵的加热机理以及系统安全性, 参照《建筑给水排水设计规范》5.4.10条, 至少存0.5~1.5h设计小时热水量。

　　 通常热泵机组可以提供满足使用要求的热水, 因此不需要设置辅助热源。但是采用地源热泵系统时, 考虑到冷、热平衡, 冬天取热过多, 或者因为打井面积不够, 造成冬季供热量不足, 或者考虑地下资源的衰减, 往往会配置锅炉用于冬季补热。那么这种情况下, 热水系统的设计就可以考虑用一部分辅助热源。

　　 本文的典型案例 (3) 中的三甲医院, 总建筑面积18万m², 规划床位800张, 业主要求病房、食堂、门急诊、供应室供应热水, 热水最大日用水量325m³, 设计小时用水量49m³/h (60℃) 。采用地源热泵及热水锅炉制备生活热水。设计利用热泵机组 (带热回收) 出水作为一次水, 出水温度为52℃。通过板式换热器把冷水加热到50℃储存在90m³热水箱及热水罐中, 然后加压串联半容积式热交换器升温至60℃供热水系统, 半容积式热交换器热源为锅炉提供高温水。该系统考虑到地埋管不足, 热泵机组冬季供热能力不够的因素, 同时让热泵机组始终处于高效状态运行 (COP>3) , 也不需要采用特殊循环工质机组, 而且便于热水系统每个月提高温度至70℃对热水系统进行杀菌, 备份了热源, 提高了热水系统供应的安全性。

　　 (1) 热泵机组选型宜结合空调负荷、生活热水负荷、具体使用实际情况、工程打井数量、辅助热源供给情况等因素综合考虑。

　　 (2) 考虑用热水安全性要求以及冷凝器承压要求, 较大热泵热水系统宜选用间接系统。

　　 (3) 可以增设辅助热源提高系统适应性和安全性。

　　 (4) 规范要求设储水装置来降低热泵机组的输出功率, 初衷是为了降低一次投资费用, 随着技术改进, 热泵机组的费用已大幅降低 (约0.7元/kcal) , 是否可以提高热泵机组的输出功率来降低贮热容积, 尤其是对于医院建筑这种不适于贮存较大热水量的场所, 值得探讨。