引 言

    節約資源是我國“十一五”期間的基本國策,建筑領域節能減排工作近年來在我國也得到了大力的推進，隨著可再生資源建筑應用技術的不斷成熟，地源熱泵建筑一體化作為國家重點推廣的技術近年來有所發展。水源熱泵系統已在我國不少城市得到成功應用，取得良好效益。咸陽市大力推進節能減排工作，積極推廣可再生能源在建筑中利用項目。目前，全市已經建成地水源熱泵建筑一體化項目兩個，并已于2010年開始試運行。

 

一、咸陽市地質水文條件分析

    咸陽市地處暖溫帶，屬大陸性季風氣候，四季冷熱分明，全年最低氣溫在1月，平均溫度在-3℃—1℃，7月最熱，平均溫度為23℃—27℃。全市分為南部平原區和北部黃土溝壑區。南部開闊平坦，呈臺階狀，可分為黃土臺原區，河流階地區兩個分區，寶雞峽、涇惠渠、羊毛灣三大灌溉區分部其中，北部溝壑縱橫，可分為馬蘭土石山地，黃土高原溝壑區和黃土丘陵溝壑區三個分區。

 

    1.1水資源分布概況

    咸陽市水資源主要由河川徑流和地下水組成。地下水資源蘊藏相對豐富，呈現出南富北貧的分布規律。南部淺層水是地下水的主要部分，分布廣泛，除局部土石山丘外，其余地區均含有，只是富水程度差異較大。潛水埋藏淺，易于開發，循環交替快而易于調蓄。全市多年平均自產地表徑流5.43億立方米，地下水不重復量3.66億立方米，另外還有入境客水量60.79億立方米，同時大氣降水也是地表徑流及地下水補給的主要來源之一。大氣降水是地表徑流及地下水補給的主要來源之一。年平均降雨量567.9毫米，年降水總量58.60億立方米。各地年降水量的分布呈南少北多之大勢。地下水資源蘊藏豐富，水資源總量11.3億立方米。水資源人均水量為全省水平的20.5%,為全國水資源水平的9.8%。從圖2中可知，咸陽市地下水資源大致為南富北貧的分布規律，南部一區為水資源富裕區，約占總量的35%，中部二區為中等區約占總量35%，北部為水資源一般區，約為30%，因此，本地區水資源分布中等以上占總量的70%，地下水資源利用率較為可觀。

圖2.咸陽市區地下水資源分布圖

分區		滲透系數m/d	潛水埋深m	含水層厚度m	富水性
一區	沿渭河岸東部	40-74	6-10	50-60	極好
	西部及東邊大部	17-60	10.5-18.73	35-45	好
二區	西部	13-47	10.76-24.44	40	好
	中部及東部	40-74	3.69-9.3	50-60	極好
	中部與東部之間	17-60	10.86-18.41	35-45	好
三區	南部	1.7-16	30-60	20-30	較好
	北部	0.1-2.8	>60	------	差

    1.2水文水質分析

項目	標準值		地貌分區
			涇西階 地區	涇西臺 原區	涇東階 地區	涇東臺 原區	黃土高原溝壑區	黃土丘陵溝壑區
渾濁度	一級	≤3	無	無	無	無	無	無
	二級
嗅和味	一級	無	無	無	無	無	無	無
	二級	無
PH值	一級	6.5-8.5	6.0-7.0	6.0-7.0	6.0-7.0	6.0-7.0	6.0-7.0	6.0-7.0
	二級	6.5-8.5
總硬度（mg/L）	一級	≤350	476.31	282.78	1057.95	254.51	276.77	233.57
	二級	≤450
硫酸鹽	一級	﹤250	163.2	82.31	165.0	67.5	37.14	49.3
	二級	﹤250
氯化物	一級	﹤250	91.7	98.31	447.55	68.25	24.36	21.30
	二級	﹤250
溶解性總固體	一級	﹤1000	737.2	628.45	1557.5	523.98	324.02	334.47
	二級	﹤1000
氨氮	一級	≤0.5	0.13	0.05	0.03	0.10	0.01	0.03
	二級	≤1.0
硝酸鹽	一級	≤10	0.00	0.01	0.12	0.03	0.17	0.00
	二級	≤20
總體評價			二級水源	一級水源	二級水源	一級水源	一級水源	一級水源

 

    表2為咸陽市地下水水質分析概況，從該表中可知全市一級水源分布區占到67%以上，一級水源經過消毒處理即可作為飲用水。全市地下水PH值范圍為6.0-7.0，略偏堿性，滿足標準的規定值6.5-8.5。除涇東階地區水硬度超過1000 mg/L以外，其余各地區水硬度均可達到二級以上。其他化學測試指標均滿足一級標準。綜上所述，該地區地下水水質良好，能夠滿足地下水源熱泵系統的水質要求。

 

二、地下水源熱泵應用實例分析

    咸陽市自2009年在全市范圍內推廣可再生能源建筑應用，目前已建成紫韻東城、博尚新都地下水源熱泵建筑應用一體化項目。兩個項目均位于水資源分布區的三區東部地區內，潛水埋深小，含水層厚度大，水質條件良好。在試驗區域內已經完成的地下水成井與回灌試驗顯示，試井涌水量穩定，水質良好。

 

    2.1項目概況

    博尚新都地下水源熱泵建筑一體化應用示范項目位于咸陽市東南方向，項目總建筑面積11.43萬平方米，建筑類型為居住建筑。本項目供冷供熱系統采用地下水源熱泵中央空調系統，設計抽水井4口，回灌井12口。工程位于咸陽市渭河一、二級階地后部和三級階地的前緣，屬于我市地理位置較高區域，因此該項目成功實施表明我市其它地勢較低區域水源熱泵建筑應用具有穩定開發的潛力。

 

    2.2成井與回灌實驗分析

    根據已測得此項目地下水成井報告及回灌實驗，地下水埋深100米，含水層以中細砂含礫、中細砂為主，單井小時涌水量約為72.6m³/h，單井小時回灌水量約為36.3m³/h，地下水水溫為18℃左右，具有良好的水源和回灌性能，符合水源熱泵對含水層的要求，實際回灌量大于設計回灌量，符合《地源熱泵系統工程技術規范》中對回灌量的要求。地質結構以粘土和砂石為主，保證所抽取的地下水穩定回灌，防止地質漏斗區發生，確保了該地區地下水資源的安全。

回灌試驗參數

名稱	水質狀況	井徑mm管徑mm	試驗總時間	單井抽水、回灌水量 m3/h
抽水試驗	含水層以中細砂含礫，PH值為7.73,渾濁度<1，總硬度312mg/L，鈣含量56mg/L，鎂含量41.8mg/L 水溫18℃	650/325	32h	72.6
回灌試驗		650/325	32h	36.3

 

    2.3技術經濟分析

    2.3.1熱泵機組性能系數與能效比

熱泵機組	標準工況		實際工況
性能系數/能效比 （COP/EER）	制熱（COP）	制冷（EER）	制熱（COP）	制冷（EER）
	4.38	5.43	4.38	4.82

    性能系數COP與能效比EER是分別表征水源熱泵機組冬季制熱率與夏季制冷率的性能參數，其值為熱泵機組的制冷（熱）量與輸入功率之比值。從表5可知，實際工況下熱泵機組的性能系數（COP）與能效比（EER）分別為4.38與4.82，高于《水源熱泵機組》（GBT19409-2003）中5.3.16、5.3.17的規定，冷熱水型機組制熱時COP值不小于3.6，制冷時EER值不小于4.6。

 

    2.3.2節能量計算

    節能方案為將地下水源熱泵中央空調系統與傳統制冷采暖方式（夏季家用空調器制冷+冬季集中供暖），分別對比其耗電量、標煤量與年節約煤量。由表6可知，采用地下水源熱泵系統供冷、采暖折算年耗煤量均小于家用空調與集中供熱系統，利用該系統年可節約標煤總量2483.92t，按標煤單價900元/t計算，年可節省費用約為224萬元，經濟效益明顯。通過計算可得知（表7），該系統的運行可實現年減少CO₂排放量6209.8t，SO₂排放量39.73t，煙塵和氮氧化物74.01t、38.73t，上述計算結果表明該系統能夠有效地減少大氣污染物的排放，對于保護生態環境和進行可持續發展具有重要的作用。

類別	耗電量/kw·h	折標煤量/tce	年節約煤量/tce	年節省費用/萬元
水源熱泵供冷	1892959.3	728.79	816.44	734796
家用空調制冷	4886105.6	1545.23
水源熱泵采暖	3373920.0	1298.96	1667.48	1500732
集中供熱	---------	2966.44
節能方案年總節約標煤量（tce）、節約費用（元）			2483.92	2235528

    注：電折標煤系數取0.385kgce/kwh（等價值），標煤為900元/t

名稱	節約標煤量tce	CO2	SO2	煙塵	NOx（氮氧化物）
水源熱泵供冷	816.44	2041.1	13.06	24.32	12.73
水源熱泵采暖	1667.48	4168.7	26.67	49.69	26.01
合計	2483.92	6209.8	39.73	74.01	38.73

    注：1噸標煤燃燒排放CO₂為2.5t， SO₂0.016t，煙塵0.0298t，NO_x（氮化物）0.0156t

 

    2.3.3投資回收分析

項目名稱	供能方式	分項投資金額/萬元	總金額/萬元	投資增量/萬元
博尚新都 供冷供熱	家用空調制冷	-------	1242.25	1189.38
	市政集中供暖	1242.25
	水源熱泵空調 制冷采暖	2431.63	2431.63

    注：家用空調投資部分由用戶自行承擔，不計入投資金額

 

    由表8可知使用博尚新都項目水源熱泵系統除投資額要高出傳統方式1189.38萬元，單位建筑面積投資增量成本為104元/㎡。

供能方式	運行時間 （天）	耗電量 （kw·h）	電費單價 （元/月）	運行總費用（萬元）
夏季供冷	90天	1892959.2	0.5	94.65
冬季采暖	120天	3373920.0	0.5	168.70
合計	210天	5266879.2	0.5	263.35

    注：電費單價取咸陽市2009年居民用電全年平均電價

費用名稱	計算依據	費用（萬元）
系統電耗費用	供冷電費+供熱電費	263.35
工資及福利	3×15600元/人·年=4.68萬元	4.68
設備維護費用	6萬元/年	6.0
其他費用	11.43×1元/㎡·年	11.43
合計		285.46

 

供能方式	負荷（kw）	運行時間（h）	總負荷（kw·h）	耗電量（kw·h）	運行總費用（萬元）
家用空調	5202.8	90×24=2160	112388048	4013586.72	200.68
供能方式	負荷（kw）	運行時間（h）	總負荷（kw·h）	折耗煤量（tce）	運行總費用（萬元）
集中供熱	5345.73	120×24=2880	15395702.4	2966.44	266.98
合計					467.96

    注：電費單價取咸陽市2009年居民用電全年平均電價

    折耗煤量(標煤)=[總負荷÷（鍋爐效率×輸配系統效率）] ×0.1299/1000

 

費用名稱	計算依據	費用（萬元）
設備電耗費用	供冷電費+供熱耗煤費	467.96
工資及福利	9×12000元/人·年=10.8萬元	10.8
設備維護費用	9萬元/年	9
其他費用	11.43×1元/㎡·年	11.43
合計		499.19

 

    通過對比地下水源熱泵系統（表10）與家用空調、集中供暖系統（表12）的運行總費用，可知水源熱泵系統年可節省費用213.73萬元，根據投資量回收年限的靜態計算法，可再生能源投資增量=投資增量/運行費用節省，由表8可知水源熱泵投資增量為1189.38萬元，根據上述公式可計算得回收年限為5.6年，即地下水源熱泵系統正常運轉5.6年就可收回投資部分增量。

 

三、總結

    綜上所述，咸陽市地下水源比較充足，水質良好，地下水體各項指標已接近飲用水要求，抽水、回灌試驗表明該地區地下水出水量充足，因此該地區具備發展地下水源熱泵系統進行住宅制冷、制熱的潛力。針對已運行的地下水源熱泵系統進行技術經濟分析，利用該系統節能效果明顯，投資回收年限短，無論是從環保、舒適性、節能角度都表明該系統在該地區使用具有實際可應用性及優越性。

 

    咸陽市在熱工分區上雖然位于寒冷地區，但是隨著全球氣候變化，氣候越來越趨于夏季炎熱，冬季寒冷，因此同時需要考慮建筑的供熱與供冷問題，在嚴格執行節能設計標準前提下，使用地下水源熱泵制冷、采暖能夠有效地降低建筑能耗，但同時還需考慮到在建筑中使用更多的被動式設計手段綜合減少建筑自身的冷熱負荷，保證住戶的熱舒適度，通過綠色建筑設計、可再生能源建筑應用等技術手段，實現建筑能源利用可持續發展。

 

參考文獻：

[1] 咸陽水利網,www.xysl.gov.cn/

[2]2008年咸陽市地下水水質簡報[R]，2008.12

[3]地源熱泵系統工程技術規范 GB-50366-2005[S].北京：中國建筑工業出版社，2005

[4]水源熱泵機組GBT19409-2003[S].北京：中國建筑工業出版社，2003

 

作者簡介：

1.姓名：安贇剛，性別：男，職務：西安建筑科技大學建筑技術科學08級碩士研究生，專業領域：建筑節能與室內熱環境，地址：陜西省西安市雁塔路13號，郵編：710055手機：15029967993，電子信箱：ang850522@126.com

2.姓名：趙文學，性別：男，職務：咸陽市墻體材料革新與建筑節能辦公室主任，職稱：高級工程師，單位：咸陽市墻體材料革新與建筑節能辦公室，專業領域：建筑節能與墻材革新，地址：陜西省咸陽市渭陽西路59號，郵編：712000手機：13700209567，電子信箱：ZWX9567@163.com

3.姓名：趙廣，性別：男，職務：咸陽市建筑節能檢測評估中心技術員，職稱：助理工程師，單位：陜西省咸陽市朱泉路20號，專業領域：建筑節能，地址：陜西省咸陽市咸陽市朱泉路20號，郵編：712000，手機：13649104235，電子信箱：zhaoguang0815@163.com