摘要： 概述了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的歷史和現(xiàn)狀，簡要介紹了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理和適用場合，重點分析了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點。
 
    0 前言
 
    熱泵從本質(zhì)上來說是一種熱回收裝置，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，熱泵技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展進入了興旺期。據(jù)統(tǒng)計，1996年我國空調(diào)設(shè)備（指電動冷熱水機組、吸收式冷熱水機組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機組，但不包括進口機組）的總制冷能力約為2000萬kW，其中熱泵型機組的制冷能力約占60%[1]。
    
    20世紀(jì)80年代初，我國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]。時至今日，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應(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)便在我國得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，1997年國內(nèi)采用的工程共52項[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)院就開始了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用的預(yù)測分析與評價。之后，不少相關(guān)論文隨之發(fā)表，如文獻[3]。2005年，國內(nèi)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程技術(shù)專著，即文獻[4]——《水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計》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/空氣熱泵機組的一種應(yīng)用方式，即用水環(huán)路將小型的水/熱泵機組并聯(lián)在一起，形成一個封閉環(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/空氣熱泵機組制熱時，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱源；機組制冷時，則以水為排熱源。當(dāng)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運行的吸熱量小于制熱運行的放熱量時，循環(huán)環(huán)路中的水溫度升高，到一定程度時利用冷卻塔放出熱量；反之循環(huán)環(huán)路中的水溫度降低，到一定程度時通過輔助加熱設(shè)備吸收熱量。只有當(dāng)水/空氣熱泵機組制熱運行的吸熱量和制冷運行的放熱量基本相等時，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內(nèi)，此時系統(tǒng)高效運行。
   
    2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點
   
    上世紀(jì)80年代初期在我國應(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：如回收建筑物余熱的特有功能；不像傳統(tǒng)鍋爐那樣會對環(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)備和機房；便于分戶計量與記費；便于安裝、管理等。據(jù)有關(guān)文獻的預(yù)測分析，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)的三個方面逐一分析水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點。
   
    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)需要額外的熱量來維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定舒適；與此同時，建筑物的內(nèi)區(qū)則因為存在室內(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)通過同時連通建筑物周邊區(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)，在對內(nèi)區(qū)供冷的同時對周邊區(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。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節(jié)約了能源。當(dāng)建筑物內(nèi)部同時由供熱工況機組和供冷工況機組模式同時運行時，采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行費用最多可降低至50％左右。
   
    其次，與上類似，為了達到同時供冷供暖的效果，相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)必須采用造價昂貴的四管制風(fēng)機盤管系統(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，就不會存在或者減少常規(guī)的四管制的風(fēng)機盤管系統(tǒng)對各個條件要求不同的房間空調(diào)時所出現(xiàn)的冷熱量抵消，避免了由此造成的能量的無謂消耗，更節(jié)省了管道系統(tǒng)的初投資費用。
   
    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，因為減少了輸配過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。總的來說，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，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用。
   
    2.2 小型水/空氣熱泵機組方面
   
    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)的任何時間隨意進行房間里的供暖或供冷的調(diào)節(jié)，而不會影響到其它房間的溫度。由于便于調(diào)節(jié)也不會出現(xiàn)房間過冷、過熱等情況，既避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費，又營造了良好的室內(nèi)環(huán)境。同時，室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機組也便于分戶計量和分戶收費。
   
    對于業(yè)主來說，如果采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，就必須一次購齊冷水機組及其它設(shè)備，往往會造成很大的資金壓力，而且冷水機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，其投資回報效益高、見效快。這一特點也使水環(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，因為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)無法避免損壞原有的結(jié)構(gòu)，且不易找到適合的冷凍機房，一般還需要全樓停業(yè)來進行改造工程，造成的經(jīng)濟損失較大。
   
    對于設(shè)計方來說，由于采用了室內(nèi)的小型水/空氣熱泵機組，也就沒有了體積龐大的風(fēng)管、冷水機組等，所以系統(tǒng)布置更加緊湊、簡潔和靈活，也不用再設(shè)置空調(diào)機房（或減少機房面積），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)。對于施工方來說，由于小型水/空氣熱泵機組可以在工程里進行組裝，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)濟性。因為蓄熱裝置可以實現(xiàn)內(nèi)區(qū)制冷機組向水循環(huán)環(huán)路中釋放的冷凝熱與周邊區(qū)制熱機組從水循環(huán)環(huán)路中吸取的熱量在一天或者更長的時間周期內(nèi)達到平衡，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
   
    水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展主要面臨來自兩個方面的問題：其一是從系統(tǒng)這個方面來看，國內(nèi)的一些建筑物內(nèi)余熱小或無預(yù)熱，尚需補充加熱設(shè)備，致使其不能充分發(fā)揮原有的一些優(yōu)點；其二是從設(shè)備這個方面來看，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中采用的小型水/空氣熱泵機組所存在的一些固有問題也限制了其更廣泛的應(yīng)用。目前，針對上述的兩個缺點，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
   
    通過分析水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行特性我們可知，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)，從而達到回收建筑物余熱、節(jié)約能源的目的。但是，我國的各類建筑物內(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幾的低溫?zé)嵩?，再由?空氣熱泵機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、不合理的。此外，如果采用的是燃煤鍋爐，還存在一個環(huán)境污染的問題。
   
    解決建筑物內(nèi)余熱不足這個問題的途徑，就是由建筑物的外部引進低溫?zé)嵩?，以替代建筑物?nèi)的余熱量。太陽能、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組制備10℃～20℃低溫水，通過水環(huán)路送至室內(nèi)各個水/空氣熱泵機組中，水/空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室內(nèi)空氣，達到供暖目的[7]?？偠灾?，可以通過廉價的輔助熱源來解決建筑物內(nèi)余熱不足的問題，拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
   
    3.2 小型水/空氣熱泵機組
   
    首當(dāng)其沖的是小型水/空氣熱泵機組的的制冷性能系數(shù)COP遠小于大型冷水機組，而且在相同制冷量條件下價格就其它型式的主機來講也偏高。另外一個重要的問題，就是小型水/空氣熱泵機組安裝在室內(nèi)，熱泵機組內(nèi)部的壓縮機和風(fēng)機將會成為一個很大的噪聲源，無法滿足室內(nèi)環(huán)境的噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。
   
    針對如何提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在供冷中的經(jīng)濟性這個問題，我們可以通過在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中采用混合系統(tǒng)的形式加以解決?；旌舷到y(tǒng)是指水/空氣熱泵機組同其它空調(diào)設(shè)備（如冷水機組、單元柜式空調(diào)機等）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)運行的經(jīng)濟性，在建筑物內(nèi)區(qū)設(shè)置單元式空調(diào)機組（水冷），向內(nèi)區(qū)供冷，而周邊區(qū)設(shè)置水/空氣熱泵機組，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/空氣熱泵機組噪聲問題方面，文獻[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、正確安裝、認(rèn)真調(diào)試和維護等四個方面，每個方面又各有許多具體的實施措施。實踐表明，如果在工程建設(shè)中能夠正確對待噪聲問題，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
 
    由以上分析可以可以看出，只要我們合理設(shè)計、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、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。當(dāng)然，我們也應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個地區(qū)、各個建筑物的特點，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)，因為它并不比風(fēng)機盤管或其它常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。
   
    在能源每年增長率約為3％～5％的條件下，要滿足國民經(jīng)濟持續(xù)每年增長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。