重庆地区某高层住宅地源热泵供应卫生
热水经济性分析
王勇，陈长武*
5 （重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045）
摘要：以重庆地区某高层建筑为例，对集中卫生热水供应系统进行了技术经济性分析。以传
统常压热水锅炉为比较基础，用全寿命周期成本为判断依据，得到了土壤源热泵系统的寿命
周期成本最低，空气源热泵系统次之的结论。并通过综合比较，对土壤源热泵系统的节能优
势和应用前景进行了分析。
10 关键词：土壤源热泵系统；集中卫生热水供应；经济性分析
 0 引言
随着人们生活水平的提高，已及对于自身健康问题的关注，人们对普及热水供应并提高
热水供应技术的要求越来越迫切。生活热水供应热负荷在集供热系统总负荷中的比例必然逐
年增长。据统计，在城市高层民用建筑中，仅洗澡用的卫生热水的耗能量就接近整个民用建
30 筑能耗的20%，而各类商业建筑的卫生热水能耗为其总能耗10%~40%[1]。因此，住宅卫生
热水供应系统既是节能的潜力所在，又提高居民生活舒适性的一个重要环节。
建筑卫生热水供应系统按其供应范围可分为局部热水供应系统、集中热水供应系统，还
有区域热水供应系统，区域热水供应系统需要市政热水管网，其应用受到一定的限制。目前，
集中热水供应系统，由于其热水供应系统供应范围大，热效率高，热水设备集中，占地面积
35 少，便于维护管理，且水压、水温稳定，适用于高层住宅和宾馆等用水量大的建筑，而局部
热水系统的热水加热效率低、制水成本高，占用建筑面积大、不安全等缺点，不适用于城市
高层建筑[2][3]。
热泵集中卫生热水供应系统是当前高层建筑供应卫生热水系统当中最为高效节能的热
水供应技术。它可以利用空气、土壤中蕴含的低效能量，一年四季取出其热量用来制取卫生
40 热水。一方面在当今国内不断攀升的油价影响下，突显了热泵卫生热水供应系统的节能和经
济优势；另一方面，许多高层住宅都有全年供冷、供热和卫生热水供应需求，而热泵技术可
以很好的解决这个问题。本文通过对热泵卫生热水供应系统与传统的常压燃气锅炉卫生热水
作者简介：王勇，（1971-），男，副教授，建筑节能技术方向. E-mail: "wyfree1"<wyfree1@126.com
 供应系统进行了技术经济方面的比较，来阐述在重庆地区使用空气源热泵和土壤源热泵集中
供应卫生热水的技术和经济优势。
45 1 集中热水供应系统方案技术分析
集中热水供应系统主要有太阳能集中热水供应系统，传统燃油/燃气锅炉，热泵集中热
水系统。
集中太阳能卫生热水供应系统应用的首要条件是太阳集热器的保证。对于18 层以上的
住宅，如果仅在平屋面上设置太阳能集热器，集中热水系统面积将严重不足，布置到建筑表
50 面会对建筑美观造成影响[2]。除此之外，太阳能集中热水系统对于天气状况过于依赖，在阳
光充足的夏季，卫生热水量可能用不完；在天气阴暗的冬季或过渡季节，卫生热水就会严重
不足，此时基本上依靠辅助热水加热设备供应卫生热水。因此在需要大量稳定，规律卫生热
水供应的高层住宅建筑来说，集中太阳能热水供应技术还不完善。
传统燃油/燃气锅炉是我国大型建筑的主要卫生热水方式，也是迄今为止技术最为成熟
55 的热水供应系统。消耗一次能源并产生有害气体，对环境不友好，因此，在节能减排的大环
境下,我们提倡用新型环保能源供应方式来取代燃油/燃气锅炉等传统的一次能源使用方式来
保护我们的人居环境，进行可持续发展。
热泵热水系统是利用空气源、地热源为低温热源，采用蒸汽压缩热泵技术来加热卫生的
系统，通常它还可以提供制冷和供热的功能，热泵消耗1kW 的能量，用户可以得到3kW 以
60 上的热量或冷量。国内热泵技术主要应用于小型热水供应系统，有关学者做了很多这方面的
研究，强调其节能性和经济性[4]~[7]。热泵作为大型卫生热水供应系统的研究不够深入，还有
待完善[8][9]。热泵集中热水供应系统主要有风冷热泵热水系统和土壤源热泵热水系统，都是
典型的节能高效型热水供应系统，应用比较广泛，各有优缺点。风冷热泵热水系统正常运行
时受到室外环境影响很大，当室外空气温度降低时，其供热量减少，需要用电或其他辅助热
65 源进行加热，这会增加系统初投资，并且机组寿命大大缩短。此外，从许多风冷热泵厂家给
的性能曲线图可知，卫生热水供应温度较高时，其能效比降低的很明显。
土壤源热泵热水系统通过地热换热器与浅层土壤进行换热，土壤温度年波动很小，温度
范围适宜，并且热容量大，可以提供大量卫生热水。由于热泵取热来源于土壤，在夏季还可
以有效降低建筑周边的热岛效应。如果土壤源热泵只用于提供生活热水的话，长期运行会造
70 成土壤温度平衡失调，影响机组的热效率，因此土壤源热泵供应热水的同时，应该提供空调
制冷功能，来平衡土壤的热失调。另外，由于土壤源热泵增加了一套地埋管换热器，其初投
资要远大于其他热水供应系统，所以有必要做技术经济方案分析比较来确定土壤源热泵热水
供应系统是否经济。
2 工程概况和方案选择
75 2.1 工程概况及设计参数
项目位于重庆某地区，是国家级地源热泵示范项目。本工程由4 栋一类高层住宅组成。
工程设全日集中热水供应系统，供应热水的部位为住宅卫生间和厨房，居住户数1376 户，
居住人数3016 人，水源为城市自来水。热水生产方式为采用板式换热器的容积式热水生产
方式，通过地源热泵加热后，输送到板式换热器与生活热水换热，换热后的生活热水储存在
80 储水罐中，24 小时不断循环进行热水供应。热泵的卫生热水供应温度取50℃，自来水水温
 冬季、过渡季节、夏季分别取5℃、10℃、15℃。
2.2 方案选择
2.2.1 民用建筑热水设计小时耗热量和耗水量计算
集中热水供应系统的设计小时耗热量，应根据用水情况和冷热水温差计算。由全日制供
85 应热水的住宅建筑可根据给排水设计规范[10]提供的公式计算：
86400
* ( ) r r L r
h h
mq C t t
Q K
− ρ
= (1)
Qh—设计小时耗热量，W；m —用水人数，3016 人；qr—热水用水定额，这里取100L/
人*d； C—水的比热，4187J/（Kg*℃）；tr—热水温度，55℃；tL—冷水计算温度，15
℃； r 90 ρ —热水密度，取0.991Kg/L；Kh—热水小时变化系数，根据住宅总用水人数，取2.48。
由公式1 可计算的到全热供应热水住宅设计小时耗热量为1631KW。
设计小时耗水量可根据3.32 式计算：
( ) r L r
h
r t t
Q
Q
− ρ
=
1.163
(2)
Qr—设计小时热水量，L/h.
95 由公式2 可计算全热供应热水住宅设计小时耗水量为31.6m3/h.
2.2.2 方案的制定
现以该高层住宅建筑的卫生热水供应系统采用地源热泵、空气源热泵、燃气热水锅炉三
种供应卫生热水方案，从初投资和运行费用方面来进行比较，得出在热水系统全寿命周期内
最经济的热水方式。本方案中由于热水供应末端系统均相同，所以在本文中，忽略末端热水
100 系统的初投资和运行费用。重庆地区空调度日数为120 天，采暖度日数为90 天。重庆地区
的电价为 电价为0.8 元，天然气价格为2.3 元/Nm3 。
1）地源热泵热水供应系统方案设计
本系统通过全热回收地源热泵给高层住宅用户提供全年卫生热水供应，并在夏季空调制
冷和冬季部分空调采暖。全热回收地源热泵全年分为三种工况运行：1、空调季节热回收+
105 制冷工况，在空调制冷的同时，通过全热回收冷凝器来生产生活热水，供应给热水用户；2、
过渡季节制热水工况，过渡季节的卫生热水供应是通过地源热泵开启制热工况产生的热水全
部供应给卫生热水用户；3、供暖期制热水+采暖工况，此工况下，先保证卫生热水供应量，
然后把多余的热量用于供暖。全热回收地源热泵卫生热水供应系统原理图见图1。
 55℃
50℃
60℃
55℃
55℃
50℃
60℃
55℃
55℃
50℃
60℃
55℃
末端空调用户
地埋管换热器
卫生热水供应
全热回收地源热泵机组
空调制冷
110 图3.1 地源热泵热水供应系统原理图
Fig.3.1 Ground source heat pump hot water supply system diagram
以该住宅建筑的设计小时耗热量和耗水量为选型依据，可以卫生热水主机选型。表3.1
为地源热泵热水供应系统的主要设备。
115
表3.1 主要设备选型及初投资估算表
Tab.3.1 The main equipment selection and Initial investment estimation
设备名称 主要技术参数 数量 价格/万元
全热回收地源热泵
GSHP-C1268DS
制热：Q=1704KW，N=362KW
制冷：Q=1584KW，N=268KW
全热回收：Q=1653KW，N=398KW
1 台 103
地源埋管侧循环泵 Q=400m3/h，H=36m H2O，N=75KW 2 台 6
地埋管换热器 双U 埋管，埋深110m 100 孔88
汇总 197
运行费用计算：
120 全热回收地源热泵在夏季空调季节空调制冷的同时，通过全部回收冷凝器中的热量来提
供卫生热水，属于空调制冷的副产品，因此算作免费供应热水。根据公式：
( ) R r L Q = C * q * ρ t − t (3)
QR—热水耗热量； q—住宅用户日用水量，301.6m3/h；ρ—热水密度，991Kg/m3。可
计算：
125 冬季卫生热水耗热量：
= 4.187 × 301.6 × 991 × (50 − 5) = 5631.5万KJ / 天R Q ,一天热泵全负荷运行
小时数为： T = 5631.5 × 10000 /(1653 × 3600) = 9.5h 。
过渡季节卫生热水耗热量：
Q 4.187 301.6 991 (50 10) 5005.7万/ 天R = × × × − = KJ ,一天热泵全负荷运
130 行小时数为： T = 5005.7 × 10000 /(1653 × 3600) = 8.5h 。
夏季卫生热水耗热量为：
= 4.187 × 301.6 × 991 × (50 − 20) = 3754.3万KJ / 天R Q ，一天热泵全负荷运
行小时数为： T = 3754.3 × 10000 /(1653 × 3600) = 6.5h
所以地源热泵供应卫生热水的运行费用为：
135 M 1 = (9.5 × 90 + 8.5 × 156) × (398 + 75) × 0.8 = 82.5万元
 2）风冷热泵热水系统方案
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