郭佳全，王杰，黃春杰，金曉公，房電偉

（1陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007；2軍事科學(xué)院 國(guó)防工程研究院，北京 100000）

0 引言

節(jié)約能源已成為全社會(huì)的共識(shí)。目前我國(guó)因人口總量大等原因，能源消耗量依然位居世界前列，節(jié)能減排任務(wù)非常繁重。據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的全國(guó)總能耗中，建筑能耗所占比例逐年增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度約達(dá)一個(gè)百分點(diǎn)，因此，減少建筑能耗是我國(guó)減少碳排放的一個(gè)重要途徑。在建筑能耗中，采暖與空調(diào)的能耗比例高達(dá)65%[1]，是關(guān)鍵的能耗控制點(diǎn)。水環(huán)熱泵系統(tǒng)是相對(duì)新型的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，但由于其節(jié)能性受工況影響較大，推廣應(yīng)用存在較大困難，因此本文將就水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理、水流量控制方式、節(jié)能影響因素等內(nèi)容進(jìn)行分析，以期為該系統(tǒng)的使用提供一定的參考。

1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)展歷程

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與其它熱泵系統(tǒng)最大的不同，就是多了一套水環(huán)路，系統(tǒng)利用該水環(huán)路將多臺(tái)熱泵機(jī)組連接起來(lái)，通過(guò)將建筑內(nèi)部的余熱轉(zhuǎn)移到供熱區(qū)，避免建筑的冷熱相消問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，因此被稱為“水環(huán)熱泵系統(tǒng)”。20世紀(jì)60年代，水環(huán)熱泵系統(tǒng)首先出現(xiàn)于美國(guó)加州，于70年代在歐洲和日本得到廣泛應(yīng)用，直到80年代初才被引進(jìn)我國(guó)，但是，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)其存在諸多不理解之處，使得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用并不理想，出現(xiàn)了許多失敗案例，阻礙了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的推廣。隨著我國(guó)熱工理論的發(fā)展以及研究認(rèn)知的不斷深化，至20世紀(jì)末，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)終于得到了廣泛的應(yīng)用[2]，21世紀(jì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由三部分組成：①室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機(jī)組；②水循環(huán)環(huán)路；③其它輔助設(shè)備（冷卻塔、輔助熱源等）。

基本工作原理：如圖1所示，夏季時(shí)，水／空氣熱泵機(jī)組（圖中未畫出）制冷，以水環(huán)路為排熱源，機(jī)組將熱量排放到水環(huán)路中，水環(huán)路的溫度升高，達(dá)到一定溫度時(shí)通過(guò)冷卻塔等設(shè)備使水環(huán)路溫度不再上升；冬季時(shí)，水／空氣熱泵機(jī)組開啟制熱模式，向水循環(huán)環(huán)路中的水吸收熱量，導(dǎo)致水環(huán)路的溫度降低，低于設(shè)定值時(shí)，需要利用輔助加熱設(shè)備向其供熱，使水環(huán)路的溫度不再下降；過(guò)渡季時(shí)，建筑各個(gè)分區(qū)存在負(fù)荷差異，部分熱泵機(jī)組開啟制熱模式，部分熱泵機(jī)組開啟制冷模式，環(huán)路水溫達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，冷卻塔和輔助熱源不需要開啟或者僅需要短時(shí)間開啟，此時(shí)的水環(huán)熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果最佳。

圖1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.3 優(yōu)勢(shì)

（1）水環(huán)熱泵屬于熱回收式系統(tǒng)。其運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)區(qū)的余熱被水環(huán)路轉(zhuǎn)移到外區(qū)，能有效減少常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)在部分時(shí)間段既需要供熱又需要供冷導(dǎo)致的能源浪費(fèi)問(wèn)題。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間需要同時(shí)供冷供熱的大型辦公建筑，使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)消耗的能量遠(yuǎn)小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

（2）靈活性較強(qiáng)。由于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特性，能夠在供冷的同時(shí)進(jìn)行供熱，可更好地滿足建筑內(nèi)部不同空調(diào)分區(qū)的需求。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。由于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)末端水環(huán)熱泵機(jī)組互不影響，故該系統(tǒng)的可靠性較高。

1.4 不足

（1）由于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)增加了循環(huán)水環(huán)路，因此，期初投資比常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)高一些。

（2）夏季運(yùn)行時(shí)，由于水環(huán)熱泵機(jī)組本身性能系數(shù)較低，且水環(huán)路未能發(fā)揮其熱量遷移的功能，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用高于其他空調(diào)系統(tǒng)。

（3）水環(huán)熱泵機(jī)組安裝于室內(nèi)時(shí)，相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，其噪聲更大[3]。

2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的分類

根據(jù)水環(huán)路的流量是否恒定，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以分為兩類：定流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

2.1 定流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)

最初產(chǎn)生的水環(huán)熱泵系統(tǒng)是定流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，即水環(huán)路中的水在循環(huán)過(guò)程中，流量保持不變。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種具有極大節(jié)能潛力的空調(diào)系統(tǒng)，在我國(guó)應(yīng)用日益廣泛。但目前，國(guó)內(nèi)采用的大多是定流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其水環(huán)路中循環(huán)水使用定速水泵，系統(tǒng)中有一臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行，環(huán)路循環(huán)水泵就不能停止運(yùn)行，因此水泵基本上是連續(xù)運(yùn)行的，應(yīng)用于較大的、有內(nèi)外分區(qū)的建筑，循環(huán)水流量較大，就這方面而言，存在較大的節(jié)能改進(jìn)空間。

2.2 變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在著諸多局限性，其中之一就是水環(huán)路中的水的流量較大，而隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的循環(huán)水量并非恒定不變，而是根據(jù)負(fù)荷變化而變化的。有許多學(xué)者針對(duì)變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。李浙[4]認(rèn)為變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮循環(huán)水量如何均勻分配，還需要注意變頻泵共振現(xiàn)象。楊林山[5]對(duì)比了變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下以及在上海、北京和沈陽(yáng)的應(yīng)用節(jié)能性，并提出了根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)控制循環(huán)水量的模糊控制方法。

兩種水環(huán)熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 兩種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 影響水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果的因素

與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果會(huì)受更多因素的影響，主要有氣候分區(qū)、負(fù)荷率、循環(huán)水量和循環(huán)水溫等。

3.1 氣候分區(qū)的影響

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是熱回收式系統(tǒng)，其主要的節(jié)能途徑是通過(guò)將建筑內(nèi)區(qū)余熱轉(zhuǎn)移到外區(qū)，避免冷熱相消的問(wèn)題，因此，建筑空調(diào)負(fù)荷的分布對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果有較大的影響。由于我國(guó)各地區(qū)氣候差異明顯，而氣候差異對(duì)建筑能耗存在較大的影響，為了減少因氣候條件差異而造成的資源浪費(fèi)，有針對(duì)性地提高建筑節(jié)能效果，《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50352—2019）對(duì)我國(guó)進(jìn)行了氣候區(qū)劃。

為了研究我國(guó)不同的氣候分區(qū)對(duì)水環(huán)熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行特性的影響，張慶華[6]在舊標(biāo)準(zhǔn)中的氣候分區(qū)中選擇具有代表性的城市，對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)城市中的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，水環(huán)熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果更好，且其節(jié)能效果具有地區(qū)適用性；在我國(guó)，對(duì)于水環(huán)熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)能效果最好的是寒冷地區(qū)，而夏熱冬暖地區(qū)則節(jié)能效果不明顯。

3.2 負(fù)荷率的影響

負(fù)荷率是指在一定時(shí)間內(nèi)的平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之間的比值。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，負(fù)荷主要指冷熱負(fù)荷。由于水環(huán)熱泵系統(tǒng)通過(guò)回收建筑內(nèi)的余熱并將之輸送到供熱區(qū)，因此，建筑的部分負(fù)荷率將會(huì)很大程度地影響水環(huán)熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果。選取寒冷地區(qū)某建筑物，于齊東[7]將負(fù)荷率設(shè)置為100%、80%、60%、40%、20%五檔，在這五檔負(fù)荷率條件下，進(jìn)行水環(huán)熱泵系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗工程測(cè)試，通過(guò)分析表明，在寒冷地區(qū)，負(fù)荷率發(fā)生變化時(shí)，兩者之中水環(huán)熱泵的節(jié)能效果變化程度更大，風(fēng)冷熱泵與負(fù)荷率存在線性關(guān)系，而水環(huán)熱泵與負(fù)荷率存在非線性關(guān)系。

3.3 循環(huán)水量的影響

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)在組成上最大的不同就是其多了一套循環(huán)水路和循環(huán)水泵，循環(huán)水泵的能耗大小將很大程度地影響水環(huán)熱泵的節(jié)能效果，而循環(huán)水泵能耗的大小主要取決于循環(huán)水量的大小，因此，循環(huán)水量將對(duì)水環(huán)熱泵的節(jié)能性產(chǎn)生一定的影響。李萌[8]為了研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水量問(wèn)題，從不同的熱泵形式、水系統(tǒng)形式入手，分析得出確定其循環(huán)水量的方法。

3.4 循環(huán)水溫的影響

循環(huán)水路中，不僅循環(huán)水量會(huì)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性產(chǎn)生影響，循環(huán)水溫也會(huì)具有一定的影響。當(dāng)其它條件不變時(shí)，若循環(huán)水溫升高，由于蒸發(fā)溫度的上升，處于制熱模式的機(jī)組制熱性能系數(shù)（COP）提高。相對(duì)地，由于冷凝溫度的上升，處于制冷模式的機(jī)組制冷能效比（EER）下降。由此可以推斷，水環(huán)熱泵系統(tǒng)的循環(huán)水溫和其節(jié)能性存在一定的關(guān)聯(lián)，而且是函數(shù)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，必定存在一個(gè)能使水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果最佳的循環(huán)水溫。劉天偉[9]等通過(guò)分析得出結(jié)論：

（1）若冷熱負(fù)荷比RCH＜1，建筑內(nèi)部存在熱負(fù)荷，則水環(huán)熱泵機(jī)組將多數(shù)處于制熱工況，此時(shí)，為了減少空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗，提高循環(huán)水溫能達(dá)到較為理想的效果；

（2）當(dāng)冷熱負(fù)荷比RCH＞1時(shí)，建筑的一次能耗量與RCH無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，且為固定值；

（3）當(dāng)冷熱負(fù)荷比接近1時(shí)，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水環(huán)路溫度達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，循環(huán)水溫對(duì)系統(tǒng)一次能耗的影響較小。

4 水環(huán)熱泵新的分析方法——能級(jí)差分析方法

4.1 基本依據(jù)

目前，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行特性主要研究方法是一次能源靜態(tài)分析方法[10]。由于該方法研究的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本對(duì)象是建筑負(fù)荷，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)是熱負(fù)荷數(shù)K，該評(píng)價(jià)指標(biāo)與建筑負(fù)荷息息相關(guān)，導(dǎo)致水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠準(zhǔn)確，加大了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果研究的難度。而循環(huán)水溫能直接反映出水環(huán)熱泵機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和系統(tǒng)能耗，因此，循環(huán)水溫更能直接影響熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗?；谏鲜隹紤]，有研究提出了水環(huán)熱泵新的分析方法——能級(jí)差分析方法。

4.2 能級(jí)差數(shù)的定義

在冬季時(shí)，建筑內(nèi)部余熱相比于夏季少得多，需要額外供熱，增加了能耗，這便是水環(huán)熱泵系統(tǒng)在冬季時(shí)的節(jié)能效果不如夏季的原因。為了更加準(zhǔn)確地研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，主要應(yīng)考慮其在冬季時(shí)的運(yùn)行情況。利用能級(jí)差分析方法研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮循環(huán)水在冬季時(shí)的放熱量。因此，能級(jí)差數(shù)應(yīng)取循環(huán)水放出的熱量與該工況下總能量的比值。

4.3 能級(jí)差數(shù)分析系統(tǒng)運(yùn)行工況節(jié)能性

利用能級(jí)差數(shù)對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性研究分析時(shí)，能級(jí)差數(shù)是部分負(fù)荷率的單值函數(shù)。該分析方法將不同部分負(fù)荷率下的建筑能耗與滿負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)的建筑能耗進(jìn)行對(duì)比，得出相對(duì)能耗，相比于單純的建筑能耗變化研究，該方法的相對(duì)能耗變化更能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在不同的負(fù)荷率下的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

基于水環(huán)熱泵研究的評(píng)述，可得出如下結(jié)論：

（1）水環(huán)熱泵系統(tǒng)是一種比較特殊的空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)使用場(chǎng)所具有適宜性要求，如應(yīng)用于寒冷地區(qū)或長(zhǎng)時(shí)間需要同時(shí)供冷供熱的大型建筑中具有非常好的節(jié)能效果，而應(yīng)用于夏熱冬暖地區(qū)則節(jié)能效果不明顯；

（2）水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水泵能耗對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)影響很大，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)了新的類型——變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)；

（3）與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果會(huì)受更多因素的影響，主要有氣候分區(qū)、負(fù)荷率、循環(huán)水量和循環(huán)水溫等；

（4）一次能源靜態(tài)分析法是研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能特性的最常用方法，但是該研究方法對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性分析存在一定的難度且準(zhǔn)確性有所不足。針對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新的分析方法——能級(jí)差分析方法能較好解決這一問(wèn)題，該方法具有一定的可行性。