基于绿色节能的暖通工程水源热泵技术应用

引言

随着全球能源危机与环境问题的加剧，绿色节能已成为各行业发展的核心导向，暖通工程作为建筑能耗的主要组成部分，其节能技术的创新与应用尤为关键。传统暖通工程多依赖燃煤、燃气锅炉或电制冷设备，不仅能源利用效率低，还会产生大量碳排放，与 “双碳” 目标相悖。

一、水源热泵技术的工作原理与绿色节能优势

1.1 工作原理

水源热泵技术基于热力学第二定律，通过循环工质在热泵机组中的相变过程实现能量转移。在供暖模式下，机组从水源中吸收低位热能，经压缩机压缩后提升温度，通过换热器将热量传递给建筑供暖系统；在制冷模式下，机组将建筑内的热量转移至水源中，实现制冷效果。整个过程中，水源作为热源或冷源，其温度相对稳定，为热泵运行提供了良好的环境，大幅降低了压缩机的能耗。根据水源类型的不同，水源热泵可分为地下水热泵、地表水热泵、再生水源热泵三类，不同类型的热泵在系统构成上略有差异，但核心工作原理一致。

1.2 绿色节能优势

水源热泵的 COP 一般在 3-5，即消耗 1kWh 电能可以得到 3-5kWh 的热能或冷能，较传统燃气锅炉供暖和电采暖效益提高一倍多。在供暖季，相比于传统燃煤供暖可节约能源 30%-50% ，在制冷季相比传统的空气源热泵节电 15%-20% 。水源热泵运行过程中不耗用燃料，无燃烧过程，无二氧化碳、氮氧化物等排放，可减少碳排放 60% 以上。如配合可再生发电，可实现近零碳排放。水源为水体热能为可再生能源，只要合理开采和回灌，水源并不消耗，水体的温度也能够通过自然循环得到恢复，可以永续利用。一套水源热泵系统即可实现供热、制冷和供生活热水，可以减少设备重复配置，节约了建筑空间和初始投资。

二、水源热泵技术在暖通工程中的应用场景

2.1 住宅小区暖通工程

住宅小区对供暖制冷的舒适性和经济性要求较高，水源热泵技术可以采取集中式和分户式系统提供要求。如果当地地下水丰富，可采取地埋管井水热泵系统，抽取地下水，经过机组换热后回灌至地下，保证地下水资源平衡。如某住宅小区采用了集中式地下水热泵系统，总建筑面积 10 万㎡，供暖期的 COP达到4.2，制冷期COP 达到4.8，与传统燃气锅炉供暖，年节约能源费用约80 万元，降低碳排放约 500 吨 / 年。如果当地住宅小区临近江河、湖泊的，地表水热泵更加经济。

2.2 公共建筑暖通工程

由于公共建筑的能耗密度高、空调系统的要求稳定，水源热泵技术的高效性及多功能的特性是非常适合的。某三甲医院建造了再生水源热泵系统，利用预处理好的医院污水作热源，医院污水水温常年在 15-22℃之间，供暖期 COP为 3.7，制冷期 COP 为 4.5，解决了传统锅炉供暖的污染问题，同时完成对污水的热能回收利用，年节约标准煤约 1200 吨。对于酒店建筑，供暖、制冷以及生活热水的需求同时存在，水源热泵系统可以通过热回收技术对制冷过程中所产生的余热用来加热生活热水，综合能效比将提高到5.0 以上。

2.3 工业建筑暖通工程

工业建筑往往存在工艺性空调需求，且部分企业会产生大量工业废水，为水源热泵应用提供了条件。某食品加工厂利用处理后的冷却水作为水源，该水体温度稳定在 18-25℃，适合作为热泵冷热源。系统运行后，车间供暖制冷能耗降低 40% ，同时解决了工业废水的热能浪费问题，实现了能源梯级利用。对于有恒温恒湿要求的工业车间，水源热泵结合精密空调系统，可精准控制室内温湿度，且运行能耗比传统电制冷系统低 30% 以上，满足工业生产的绿色节能需求。

三、水源热泵技术应用中的问题与优化策略

3.1 存在的主要问题

水源选择与保护问题，部分地区盲目开采地下水，未采取回灌措施或回灌不当，导致地下水位下降、地面沉降；地表水取水点选址不合理，受季节水位变化、水质污染影响，系统运行效率波动。系统设计不合理：水源取水 / 回灌系统设计缺陷，如水泵扬程不足、管道阻力过大，导致输送能耗过高；热泵机组与水源特性不匹配，在水质较差的水源中未设置有效的过滤和防腐装置，设备故障率高。

初投资较高，水源热泵系统的初投资（尤其是地埋管系统和污水预处理系统）比传统空调系统高 20%-30% ，部分项目因资金限制难以推广。运行维护技术不足，操作人员对系统运行原理掌握不够，未能根据季节变化和负荷需求优化运行参数；设备维护不及时，导致换热器结垢、管道堵塞，影响系统能效。政策支持不足：部分地区缺乏针对水源热泵技术的补贴政策和标准规范，项目审批流程复杂，制约了技术的推广应用。

3.2 优化策略

科学选择与保护水源，地下水热泵需进行水文地质勘察，确保取水与回灌量平衡，回灌率不低于 90% ，采用同层回灌技术避免地下水污染；地表水系统选择水质稳定、水位变化小的取水点，设置预处理装置（如格栅、过滤器）去除杂质，对海水等腐蚀性水源采用耐腐蚀材料（如钛合金换热器）。优化系统设计：采用变频水泵和高效换热器，降低输送能耗；根据水源温度、水质和建筑负荷特性，合理匹配热泵机组型号和容量，确保机组在高效区运行；地埋管系统采用竖直埋管方式，减少占地面积，通过岩土热响应试验确定埋管间距和深度，避免热堆积。降低初投资与提升经济性，结合当地资源条件选择适宜的水源类型，如再生水源热泵可利用现有污水处理设施，降低初投资；争取政府节能补贴和绿色信贷支持，通过能源服务公司（ESCO）采用合同能源管理模式，减轻项目初期资金压力。加强运行维护与人员培训：建立系统运行监控平台，实时监测水源温度、机组 COP、能耗等参数，通过智能算法优化运行策略；定期对操作人员进行培训，掌握系统调试和故障处理技能；制定维护计划，定期清洗换热器、检查管道和阀门，确保系统高效运行。完善政策与标准体系：政府出台针对性补贴政策，对水源热泵项目给予初投资补贴或运行电价优惠；制定水源热泵系统设计、施工、验收的地方标准，简化项目审批流程，规范行业发展。

结论

水源热泵技术作为一种高效的可再生能源利用技术，在暖通工程中应用可显著降低能耗和碳排放，符合绿色节能发展趋势。其在住宅小区、公共建筑、工业建筑等场景的应用实践表明，只要科学选择水源、优化系统设计、加强运行管理，就能充分发挥其节能优势。尽管目前存在初投资高、水源保护等问题，但通过技术创新、政策支持和模式优化，这些问题可逐步解决。未来，随着水源热泵与智能控制、可再生能源的深度融合，其应用前景将更加广阔，有望成为暖通工程绿色节能的核心技术之一，为建筑领域 “双碳” 目标的实现提供有力支撑。

参考文献

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