摘要： 概述了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)的歷史和現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理和適用場(chǎng)合，重點(diǎn)分析了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
0 前言
熱泵從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種熱回收裝置，它從低溫?zé)嵩刺幬崃坎⑻岣咂肺缓?，再在高溫?zé)嵩刺幏艧幔鸬焦?jié)省高位能的租用。自1989年以來(lái)，熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)入了興旺期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996年我國(guó)空調(diào)設(shè)備（指電動(dòng)冷熱水機(jī)組、吸收式冷熱水機(jī)組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機(jī)組，但不包括進(jìn)口機(jī)組）的總制冷能力約為2000萬(wàn)kW，其中熱泵型機(jī)組的制冷能力約占60%[1]。
20世紀(jì)80年代初，我國(guó)在一些外商投資的建筑中采用了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)[2]。時(shí)至今日，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)有了不小的普及。90年代水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)便在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997年國(guó)內(nèi)采用的工程共52項(xiàng)[2]。不僅在北京、上海、廣州、深圳、天津等大城市中一些工程采用它，而且如佛山、紹興、惠州、泉州等中小城市也開(kāi)始采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。此外，有關(guān)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究也卓有成效。從1993年起，原哈爾濱建筑工程學(xué)院就開(kāi)始了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用的預(yù)測(cè)分析與評(píng)價(jià)。之后，不少相關(guān)論文隨之發(fā)表，如文獻(xiàn)[3]。2005年，國(guó)內(nèi)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程技術(shù)專著，即文獻(xiàn)[4]——《水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》出版。
1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的概況
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水/空氣熱泵機(jī)組的一種應(yīng)用方式，即用水環(huán)路將小型的水/熱泵機(jī)組并聯(lián)在一起，形成一個(gè)封閉環(huán)路，構(gòu)成一套回收建筑物內(nèi)部余熱作為其低位熱源的熱泵供暖、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。典型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)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）輔助設(shè)備（如冷卻塔、加熱設(shè)備、蓄熱裝置等）。
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理是：在水/空氣熱泵機(jī)組制熱時(shí)，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱源；機(jī)組制冷時(shí)，則以水為排熱源。當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運(yùn)行的吸熱量小于制熱運(yùn)行的放熱量時(shí)，循環(huán)環(huán)路中的水溫度升高，到一定程度時(shí)利用冷卻塔放出熱量；反之循環(huán)環(huán)路中的水溫度降低，到一定程度時(shí)通過(guò)輔助加熱設(shè)備吸收熱量。只有當(dāng)水/空氣熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行的吸熱量和制冷運(yùn)行的放熱量基本相等時(shí)，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)高效運(yùn)行。
2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
上世紀(jì)80年代初期在我國(guó)應(yīng)用的一些水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)顯示出了許多的優(yōu)點(diǎn)：如回收建筑物余熱的特有功能；不像傳統(tǒng)鍋爐那樣會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染；省掉或減少常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源設(shè)備和機(jī)房；便于分戶計(jì)量與記費(fèi)；便于安裝、管理等。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的預(yù)測(cè)分析，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)上一種很有前途的節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)[2]。下面，本文從組成系統(tǒng)的三個(gè)方面逐一分析水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
2.1 水循環(huán)環(huán)路方面
首先，按水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在建筑物中的用途，它屬于熱回收式熱泵系統(tǒng)。在室外空氣溫度較低的情況下，建筑物的周邊區(qū)需要額外的熱量來(lái)維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定舒適；與此同時(shí)，建筑物的內(nèi)區(qū)則因?yàn)榇嬖谑覂?nèi)熱源（如照明、設(shè)備、人體等散熱），而需要降低室內(nèi)的溫度。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)同時(shí)連通建筑物周邊區(qū)和內(nèi)區(qū)的水循環(huán)環(huán)路，可以將內(nèi)區(qū)產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)移到周邊區(qū)，在對(duì)內(nèi)區(qū)供冷的同時(shí)對(duì)周邊區(qū)供熱，而不存在或者少量存在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)在同種情況下的冷熱量抵消所造成的能量浪費(fèi)。因此，該系統(tǒng)的建筑物熱回收效果好，在充分利用余熱的同時(shí)節(jié)約了能源。當(dāng)建筑物內(nèi)部同時(shí)由供熱工況機(jī)組和供冷工況機(jī)組模式同時(shí)運(yùn)行時(shí)，采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最多可降低至50％左右。
其次，與上類似，為了達(dá)到同時(shí)供冷供暖的效果，相對(duì)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)必須采用造價(jià)昂貴的四管制風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)而言，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水循環(huán)環(huán)路仍然采用兩管制。如此，就不會(huì)存在或者減少常規(guī)的四管制的風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)對(duì)各個(gè)條件要求不同的房間空調(diào)時(shí)所出現(xiàn)的冷熱量抵消，避免了由此造成的能量的無(wú)謂消耗，更節(jié)省了管道系統(tǒng)的初投資費(fèi)用。
再次，由于水循環(huán)環(huán)路中的水溫在常溫范圍內(nèi)、與其環(huán)境溫度的溫差不大，所以常溫水所消耗的能量比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)小得多。同時(shí)，因?yàn)闇p少了輸配過(guò)程中的冷熱耗散等損失，環(huán)路的熱損失也比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要小得多?？偟膩?lái)說(shuō)，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，僅管道熱損失減少這一項(xiàng)，節(jié)能效率約為8％～15％[5]。而且，由于水循環(huán)環(huán)路管道可不設(shè)保溫和防潮隔濕，還能減少保溫層及其它的一些材料費(fèi)用。
2.2 小型水/空氣熱泵機(jī)組方面
一般，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用的都是室內(nèi)的，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的大小分別安裝在各個(gè)房間內(nèi)。各房間內(nèi)的用戶就可以根據(jù)室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內(nèi)的任何時(shí)間隨意進(jìn)行房間里的供暖或供冷的調(diào)節(jié)，而不會(huì)影響到其它房間的溫度。由于便于調(diào)節(jié)也不會(huì)出現(xiàn)房間過(guò)冷、過(guò)熱等情況，既避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費(fèi)，又營(yíng)造了良好的室內(nèi)環(huán)境。同時(shí)，室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機(jī)組也便于分戶計(jì)量和分戶收費(fèi)。
對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，如果采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，就必須一次購(gòu)齊冷水機(jī)組及其它設(shè)備，往往會(huì)造成很大的資金壓力，而且冷水機(jī)組一般要在安裝一兩年后才能發(fā)揮效益；而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的小型水/空氣熱泵機(jī)組可以分期投資、分批建設(shè)，甚至可以在用戶入住前逐層安裝，其投資回報(bào)效益高、見(jiàn)效快。這一特點(diǎn)也使水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在舊樓翻新或系統(tǒng)改造中頗有市場(chǎng)，因?yàn)槌Ｒ?guī)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法避免損壞原有的結(jié)構(gòu)，且不易找到適合的冷凍機(jī)房，一般還需要全樓停業(yè)來(lái)進(jìn)行改造工程，造成的經(jīng)濟(jì)損失較大。
對(duì)于設(shè)計(jì)方來(lái)說(shuō)，由于采用了室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機(jī)組，也就沒(méi)有了體積龐大的風(fēng)管、冷水機(jī)組等，所以系統(tǒng)布置更加緊湊、簡(jiǎn)潔和靈活，也不用再設(shè)置空調(diào)機(jī)房（或減少機(jī)房面積），也為業(yè)主增大了使用面積及有效空間。水環(huán)熱泵空調(diào)。對(duì)于施工方來(lái)說(shuō)，由于小型水/空氣熱泵機(jī)組可以在工程里進(jìn)行組裝，所以減少了工地的安裝工作量。
2.3 輔助設(shè)備方面
如果再在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中加入蓄熱裝置等輔助設(shè)備，則更能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)樾顭嵫b置可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)區(qū)制冷機(jī)組向水循環(huán)環(huán)路中釋放的冷凝熱與周邊區(qū)制熱機(jī)組從水循環(huán)環(huán)路中吸取的熱量在一天或者更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)達(dá)到平衡，從而降低了冷卻塔和水加熱器的年耗能量。
3 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展主要面臨來(lái)自兩個(gè)方面的問(wèn)題：其一是從系統(tǒng)這個(gè)方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)的一些建筑物內(nèi)余熱小或無(wú)預(yù)熱，尚需補(bǔ)充加熱設(shè)備，致使其不能充分發(fā)揮原有的一些優(yōu)點(diǎn)；其二是從設(shè)備這個(gè)方面來(lái)看，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中采用的小型水/空氣熱泵機(jī)組所存在的一些固有問(wèn)題也限制了其更廣泛的應(yīng)用。目前，針對(duì)上述的兩個(gè)缺點(diǎn)，也出現(xiàn)了許多的解決辦法，以期推廣水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。
3.1 建筑物內(nèi)余熱不足
通過(guò)分析水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性我們可知，只有當(dāng)建筑物內(nèi)區(qū)有大量余熱且周邊區(qū)需要供熱，才能通過(guò)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)將建筑物內(nèi)區(qū)的余熱轉(zhuǎn)移到需要熱量的周邊區(qū)，從而達(dá)到回收建筑物余熱、節(jié)約能源的目的。但是，我國(guó)的各類建筑物內(nèi)部負(fù)荷不大，建筑物的內(nèi)區(qū)面積又小，因而建筑物的余熱量也較小。在這種情況下，如果要采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，則勢(shì)必要增設(shè)鍋爐。然而，將鍋爐的高位熱能加熱水循環(huán)環(huán)路中的循環(huán)水使之成為與室溫相差無(wú)幾的低溫?zé)嵩?，再由?空氣熱泵機(jī)組消耗電能將其提升到高位熱量向室內(nèi)供暖，這本身就是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。此外，如果采用的是燃煤鍋爐，還存在一個(gè)環(huán)境污染的問(wèn)題。
解決建筑物內(nèi)余熱不足這個(gè)問(wèn)題的途徑，就是由建筑物的外部引進(jìn)低溫?zé)嵩?，以替代建筑物?nèi)的余熱量。太陽(yáng)能、水（地表水、井水、河水等）、土壤、空氣均可作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的外部能源[6]。例如大連電力大廈（高層單元式建筑）利用熱電廠冷卻水作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的外部熱源，收到良好的節(jié)能效果[2]。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出一種空氣/水熱泵與水/空氣熱泵耦合雙級(jí)熱泵供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)，用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組制備10℃～20℃低溫水，通過(guò)水環(huán)路送至室內(nèi)各個(gè)水/空氣熱泵機(jī)組中，水/空氣熱泵再?gòu)乃屑橙崃?，直接加熱室?nèi)空氣，達(dá)到供暖目的[7]?？偠灾?，可以通過(guò)廉價(jià)的輔助熱源來(lái)解決建筑物內(nèi)余熱不足的問(wèn)題，拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
3.2 小型水/空氣熱泵機(jī)組
首當(dāng)其沖的是小型水/空氣熱泵機(jī)組的的制冷性能系數(shù)COP遠(yuǎn)小于大型冷水機(jī)組，而且在相同制冷量條件下價(jià)格就其它型式的主機(jī)來(lái)講也偏高。另外一個(gè)重要的問(wèn)題，就是小型水/空氣熱泵機(jī)組安裝在室內(nèi)，熱泵機(jī)組內(nèi)部的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)將會(huì)成為一個(gè)很大的噪聲源，無(wú)法滿足室內(nèi)環(huán)境的噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。
針對(duì)如何提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在供冷中的經(jīng)濟(jì)性這個(gè)問(wèn)題，我們可以通過(guò)在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用混合系統(tǒng)的形式加以解決?；旌舷到y(tǒng)是指水/空氣熱泵機(jī)組同其它空調(diào)設(shè)備（如冷水機(jī)組、單元柜式空調(diào)機(jī)等）共同組合而成為全新的空調(diào)系統(tǒng)。同樣，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，在建筑物內(nèi)區(qū)設(shè)置單元式空調(diào)機(jī)組（水冷），向內(nèi)區(qū)供冷，而周邊區(qū)設(shè)置水/空氣熱泵機(jī)組，向周邊區(qū)供冷或供熱，也是一種值得注意的混合系統(tǒng)形式[7]。
而在控制房間內(nèi)的小型水/空氣熱泵機(jī)組噪聲問(wèn)題方面，文獻(xiàn)[8]給出了詳盡的闡述。其控制噪聲的措施包括控制噪聲源、合理設(shè)計(jì)、正確安裝、認(rèn)真調(diào)試和維護(hù)等四個(gè)方面，每個(gè)方面又各有許多具體的實(shí)施措施。實(shí)踐表明，如果在工程建設(shè)中能夠正確對(duì)待噪聲問(wèn)題，采取合理措施，完全可以滿足室內(nèi)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
由以上分析可以可以看出，只要我們合理設(shè)計(jì)、規(guī)范安裝、靈活管理，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)就一定能發(fā)揮出它既有的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，我們也應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個(gè)地區(qū)、各個(gè)建筑物的特點(diǎn)，確定是否采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。尤其是北方地區(qū)的、內(nèi)區(qū)面積大、內(nèi)區(qū)的余熱量也大的建筑物，最適于采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。相反，南方一些地區(qū)的、全年絕大部分時(shí)間需要供冷的建筑物，則不宜采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，因?yàn)樗⒉槐蕊L(fēng)機(jī)盤(pán)管或其它常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。
在能源每年增長(zhǎng)率約為3％～5％的條件下，要滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)每年增長(zhǎng)8％～9％，即在能源短缺的條件下，必須重視節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)[1]。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)本身回收建筑物余熱、節(jié)約能源，若與太陽(yáng)能、地下水、工業(yè)廢水等低位熱源相結(jié)合，更能拓寬其應(yīng)用范圍。在國(guó)家日益重視建筑節(jié)能的今天，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能潛力和廣闊的應(yīng)用前景。