水環(huán)熱泵能耗影響因素分析及其節(jié)能研究方法

郭佳全，王杰，黃春杰，金曉公，房電偉

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

0 引言

節(jié)約能源已成為全社會的共識。目前我國因人口總量大等原因，能源消耗量依然位居世界前列，節(jié)能減排任務非常繁重。據(jù)建設部統(tǒng)計，我國的全國總能耗中，建筑能耗所占比例逐年增長，增長速度約達一個百分點，因此，減少建筑能耗是我國減少碳排放的一個重要途徑。在建筑能耗中，采暖與空調(diào)的能耗比例高達65%[1]，是關(guān)鍵的能耗控制點。水環(huán)熱泵系統(tǒng)是相對新型的節(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)路將多臺熱泵機組連接起來，通過將建筑內(nèi)部的余熱轉(zhuǎn)移到供熱區(qū)，避免建筑的冷熱相消問題，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的，因此被稱為“水環(huán)熱泵系統(tǒng)”。20世紀60年代，水環(huán)熱泵系統(tǒng)首先出現(xiàn)于美國加州，于70年代在歐洲和日本得到廣泛應用，直到80年代初才被引進我國，但是，由于當時國內(nèi)對其存在諸多不理解之處，使得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國的應用并不理想，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。隨著我國熱工理論的發(fā)展以及研究認知的不斷深化，至20世紀末，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在國內(nèi)終于得到了廣泛的應用[2]，21世紀得到進一步發(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/空氣熱泵機組；②水循環(huán)環(huán)路；③其它輔助設備（冷卻塔、輔助熱源等）。

基本工作原理：如圖1所示，夏季時，水／空氣熱泵機組（圖中未畫出）制冷，以水環(huán)路為排熱源，機組將熱量排放到水環(huán)路中，水環(huán)路的溫度升高，達到一定溫度時通過冷卻塔等設備使水環(huán)路溫度不再上升；冬季時，水／空氣熱泵機組開啟制熱模式，向水循環(huán)環(huán)路中的水吸收熱量，導致水環(huán)路的溫度降低，低于設定值時，需要利用輔助加熱設備向其供熱，使水環(huán)路的溫度不再下降；過渡季時，建筑各個分區(qū)存在負荷差異，部分熱泵機組開啟制熱模式，部分熱泵機組開啟制冷模式，環(huán)路水溫達到相對平衡狀態(tài)，冷卻塔和輔助熱源不需要開啟或者僅需要短時間開啟，此時的水環(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

（1）水環(huán)熱泵屬于熱回收式系統(tǒng)。其運行過程中，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)在部分時間段既需要供熱又需要供冷導致的能源浪費問題。對于長時間需要同時供冷供熱的大型辦公建筑，使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)消耗的能量遠小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

（2）靈活性較強。由于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特性，能夠在供冷的同時進行供熱，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。由于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的各個末端水環(huán)熱泵機組互不影響，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）夏季運行時，由于水環(huán)熱泵機組本身性能系數(shù)較低，且水環(huán)路未能發(fā)揮其熱量遷移的功能，導致運行費用高于其他空調(diào)系統(tǒng)。

（3）水環(huán)熱泵機組安裝于室內(nèi)時，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)，在我國應用日益廣泛。但目前，國內(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)中有一臺熱泵機組運行，環(huán)路循環(huán)水泵就不能停止運行，因此水泵基本上是連續(xù)運行的，應用于較大的、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)在實際應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)負荷變化而變化的。有許多學者針對變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行了研究。李浙[4]認為變流量水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設計者在設計時，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、北京和沈陽的應用節(jié)能性，并提出了根據(jù)負荷預測控制循環(huán)水量的模糊控制方法。

兩種水環(huán)熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點如表1所示。

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

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)能效果會受更多因素的影響，主要有氣候分區(qū)、負荷率、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)能途徑是通過將建筑內(nèi)區(qū)余熱轉(zhuǎn)移到外區(qū)，避免冷熱相消的問題，因此，建筑空調(diào)負荷的分布對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果有較大的影響。由于我國各地區(qū)氣候差異明顯，而氣候差異對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，有針對性地提高建筑節(jié)能效果，《民用建筑設計統(tǒng)一標準》（GB 50352—2019）對我國進行了氣候區(qū)劃。

為了研究我國不同的氣候分區(qū)對水環(huán)熱泵系統(tǒng)節(jié)能運行特性的影響，張慶華[6]在舊標準中的氣候分區(qū)中選擇具有代表性的城市，對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在對應城市中的運行特性進行模擬分析，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，對于水環(huán)熱泵系統(tǒng)的應用，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 負荷率的影響

負荷率是指在一定時間內(nèi)的平均負荷與最大負荷之間的比值。對于空調(diào)系統(tǒng)而言，負荷主要指冷熱負荷。由于水環(huán)熱泵系統(tǒng)通過回收建筑內(nèi)的余熱并將之輸送到供熱區(qū)，因此，建筑的部分負荷率將會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]將負荷率設置為100%、80%、60%、40%、20%五檔，在這五檔負荷率條件下，進行水環(huán)熱泵系統(tǒng)和風冷熱泵系統(tǒng)的全年運行能耗工程測試，通過分析表明，在寒冷地區(qū)，負荷率發(fā)生變化時，兩者之中水環(huán)熱泵的節(jié)能效果變化程度更大，風冷熱泵與負荷率存在線性關(guān)系，而水環(huán)熱泵與負荷率存在非線性關(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)水量會對系統(tǒng)的節(jié)能性產(chǎn)生影響，循環(huán)水溫也會具有一定的影響。當其它條件不變時，若循環(huán)水溫升高，由于蒸發(fā)溫度的上升，處于制熱模式的機組制熱性能系數(shù)（COP）提高。相對地，由于冷凝溫度的上升，處于制冷模式的機組制冷能效比（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]等通過分析得出結(jié)論：

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

（2）當冷熱負荷比RCH＞1時，建筑的一次能耗量與RCH無明顯關(guān)聯(lián)，且為固定值；

（3）當冷熱負荷比接近1時，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水環(huán)路溫度達到相對平衡狀態(tài)，循環(huán)水溫對系統(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)的基本對象是建筑負荷，選取的評價指標是熱負荷數(shù)K，該評價指標與建筑負荷息息相關(guān)，導致水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行時的評價指標不夠準確，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)熱泵機組的運轉(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——能級差分析方法。

4.2 能級差數(shù)的定義

在冬季時，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)在冬季時的節(jié)能效果不如夏季的原因。為了更加準確地研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，主要應考慮其在冬季時的運行情況。利用能級差分析方法研究水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時，應重點考慮循環(huán)水在冬季時的放熱量。因此，能級差數(shù)應取循環(huán)水放出的熱量與該工況下總能量的比值。

4.3 能級差數(shù)分析系統(tǒng)運行工況節(jié)能性

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

5 結(jié)論

基于水環(huán)熱泵研究的評述，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)，對使用場所具有適宜性要求，如應用于寒冷地區(qū)或長時間需要同時供冷供熱的大型建筑中具有非常好的節(jié)能效果，而應用于夏熱冬暖地區(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)水泵能耗對整個空調(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)能效果會受更多因素的影響，主要有氣候分區(qū)、負荷率、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)運行節(jié)能特性的最常用方法，但是該研究方法對水環(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確性有所不足。針對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新的分析方法——能級差分析方法能較好解決這一問題，該方法具有一定的可行性。