摘要：地源热泵热水器具有高效节能、安全环保、全天候运行、运行费用低廉及性能稳定等优点，是一项极具开发和应用潜力的节能技术，将成为我国最具竞争力的新一代热水器产品。 关键词：地源热泵；热水器；经济性；设计；节能 地源热泵是地热利用的一种形式，是将低位热能用热泵提升为高位热能加以利用。 一、地源热泵热水系统实例设计 1.（1）工程概况。某别墅建筑面积为300 m2，共2层，常住人口5人。建有厨房1个，卫生间2个。使用热水的器具主要有：带淋浴器的浴盆1个，淋浴器1个，洗脸盆2个，盥洗槽水嘴1个。户主对热水供应情况的要求：工作日（星期一至星期五）每天集中在6：30—7：00和19：00—21：00两个时间段使用热水；而休息日（星期六和星期日）和节假日应比工作日使用热水多一些。 （1）设计参数。某地区空气年平均温度大约为12.2℃，最冷月平均温度为-3.6℃，最热月平均温度为26.4℃。按照GB50015-2009《建筑给水排设计规范》要求，供应热水的温度控制在55～60℃为好。本设计中供应热水温度选为55℃，当地最冷月自来水平均温度即计算 冷水温度定为5℃。在确定热水供应装置的尺寸时，以高峰负荷为准。
（2）土壤类型及物性参数。根据该别墅的土质类型将其分为6层，平均热阻为0.401 1 m•℃/W，土壤平均初始温度大约为15.0℃，平均导热系数为1.24 W/（m•℃）。
2.热水用水量及耗热量计算。根据GB50015-2010，建筑物热水用量可通过2种方法计算得到：根据人数或床位数和其热水用量定额计算法；根据卫生器具和热水用量定额计算法。当人数少于320，卫生器具数小于107时，可按卫生器具和热水用水量定额计算法计算用水量；当人数在320～5190范围内，卫生器具数在107～1730范围内时，应取2种计算方法的公共部分作为热水用量的取值范围；当人数超过5190卫生器具数超过1730，且没有公共部分时，可根据两者计算结果的平均值作为热水用量的取值。本设计采用第二种方法。最大小时热水用量为
（1）
式中：ql为卫生器具热水用量（L/h），按表1确定；no为同类型卫生器具数；b为卫生器具同时使用比例，仅计算浴盆的耗热量，b取值为85，其他器具不计。
表1 卫生器具的一次和小时热水用水定额及水温
在应用式（1）计算时，由于不同类型卫生器具的使用水温不同，因此必须换算为统一的水温后，才能正确计算出最大小时热水用量。换热系数按下式计算：
式中：tr为热水系统供水温度（℃）；th为混合后卫生器具出水温度（℃），按表1确定；tl为冷水计算温度（℃）。最大小时耗热量（kW）为
式中：c为水的比热容，取4.187 kJ/（kg•℃）；ρ为热水密度，取1 kg/L。最大日用水量（L）为
3.热水水箱容积计算及选型。按不小于90 min的设计小时耗热量计算，热水水箱的有效贮水容积为
由于用户端要求热水温度较高，且热泵提升水温的速度较慢，而生活热水供应系统用水量不稳定，使用时间相对集中，故本方案采用蓄热式系统：利用低谷电储存热水，并循环加热；当达到用水高峰时，利用水箱中储存的热水来满足用户需求。系统选用水箱总体
积为400 L，且用双水箱（单个水箱容积为200 L）：一个用作加热水箱，另一个用作储热水箱向用户提供恒温热水。
4.地源热泵热水系统机组选型。（1）压缩机选型.压缩机性能的优劣对热水器性能影响较大，其合理选型至关重要。目前生产热泵专用压缩机的公司很少，而且产品冷凝温度低，与热泵热水器的要求相差甚远。涡旋压缩机的工作范围较宽，冷凝温度界限较高，最高可达68℃。即使在寒冷的冬天，当蒸发温度为0℃，其最高冷凝温度也能达到65℃，可以满足出水温度（55℃）的要求。且涡旋压缩机噪声较低，结构较紧凑，适合别墅类建筑等小型热水供应场合。（2）机组选型.对别墅等密度小的建筑按冷热负荷的高值作为热泵机组的选型依据，根据户主所需制热量（19.51 kW）以及涡旋压缩机的选型，现选用1台WPWE-060型水-水热泵机组。
5.热水系统换热器设计。埋管换热器主要设计参数。（1）埋管参数聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韧性好、强度高，可以通过热熔形成比管子自身强度更高的连接接头，在国内外地源热泵系统中得到了广泛应用。本设计竖埋管采用目前国内广泛使用的国产高密度聚乙烯管：公称直径25 mm，外径32mm，内径26.2 mm，热阻0.056 43 m•℃/W，导热系数0.42 W/（m•℃），可承受压力1.25 MPa。水平连接管采用De32型高密度聚乙烯管：
内径32.6mm，外径40 mm，厚度3.7 mm，可承受压力1.25 MPa。（2）钻孔参数.别墅砂土和黏土较多，导热系数较小，且考虑投资成本等因素，钻孔深度定为80 m，钻孔孔径为110 mm。在管内流速方面：内径小于50 mm的管子，流速应在0.6～1.2 m/s范围内；内径大于50 mm的管子，管内流速应小于1.8 m/s。因此管内流速拟定为1.2 m/s。在孔间距方面：工程上20 mm和15 mm的小管径，间距取3 m左右；而25～32 mm的大管径，间距保持在5～7 m范围内为宜。同时，针对工程较小、埋管单排布置、地源热泵间歇运行的情况，埋管间距取3.0 m；工程较大、埋管多排布置、地源热泵间歇运行的情况，间距可取4 m；对于连续运行（或停机时间较少）的情况，可取5～6 m[16-17]。工程较小并采用间歇运行模式以及单排埋管，但同时要求全年取热，所以孔间距定为4.5 m。（3）回填材料一般选用工程原土、膨润土类、水泥砂浆类、砂石类及混凝土类等，因混凝土的导热系数要明显高于其他回填材料的，且混凝土回填更密实，使得换热系数较高。因此选用混凝土作为回填材料，导热系数大约为2.18 W/（m•℃）。（4）防冻液.地源热泵系统的防冻液主要有氯化钠、氯化钙等盐水溶液以及乙二醇、丙二醇等有机化合物的水溶液。乙二醇水溶液相对安全、无腐蚀性、具有较好的导热性能、价格适中；但其在低温工况时黏度增加，这会增大泵的功耗，从而降低整个热泵系统的效率。
6.埋管换热器环路水泵选型，水泵选型所依据的流量和扬程：
式中：Wmax为设计最大流量（m3/h），可按主机所需水量选择；k1和k2均为附加因数，当水泵单台工作时，均取1.1；F为水系统总的沿程阻力（Pa）；Fd为水系统总的局部阻力（Pa）；Fm为设备压力损失（Pa）。在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。
二、热泵热水系统经济性比较
将容积式地源热泵热水器系统和直流式地源热泵热水器系统进行初投资和运费用比较。
1.初投资。对于初投资费用的比较，若采用容积式地源热泵热水器系统，初投资包括主机、地下埋管系统和加热水箱，主机造价按市场一般行情1200元／千瓦，地下埋管系统的投资为60元／米，加热水箱的价格为1600元／米3；若采用直流式地源热泵热水器系统，初投资包括主机和地下埋管系统，价格取值同上。
由表看出，直流式地源热泵热水系统的初投资大于容积式系统的，大
约为２倍。这是因为直流式地源热泵热水器系统可以即时提供热水，所需机组制热功
率大，继而埋管加长、钻孔加深，使得地上机组和地下换热部分的初投资增大。
2.运行费用。某电价分为平电价、谷电价和峰电价3种，分别为0.5793元／千瓦时，0.2873元／千瓦时和0.8933元／千瓦时。对于该别墅，容积式地源热泵热水器系统日最大耗电量为84.95ＭＪ，直流式系统为80.22ＭＪ，每年按300ｄ供热水，热泵的寿命期取为20年，具体费用见表3。
由表可知，虽然容积式地源热泵热水器系统的年耗电量比直流式地源热泵热水器系统稍高，但其年运行费用比其低0.1845万元。又由于容积式地源热泵热水器系统可利用低价电蓄热而避开高峰用电，且在寿命期内，其综合费用比直流式热泵热水器系统低7.406万元。由此可见，容积式地源热泵热水器系统比直流式系统经济。
地热泵的经济性与燃料政策有关，当天然气增容费、天然气价格和电价变化时，投资与运行费用比较也随之变化，因此具体工程需要根据当地情况进行分析。
表2 方案初投资比较万元
参考文献：
地源热泵换热 [1]万华．地源热泵系统埋地换热器的理论研究及经济性分析．2017.
[2]王仁．李东华，地热换热器的传热问题研究及其工程应用.2017.
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