摘   要：介紹了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的組成、工作原理，并對該系統(tǒng)作了節(jié)能性分析，總結(jié)出該系統(tǒng)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性，最后提出了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：空調(diào)；水環(huán)熱泵；節(jié)能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言
       隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，空調(diào)的應(yīng)用日益廣泛和普及，空調(diào)系統(tǒng)的能耗也逐年增加。目前，空調(diào)系統(tǒng)耗能已占到整個(gè)建筑耗能的60％以上。建筑節(jié)能、改善生活環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展對空調(diào)方式提出了更高的要求。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種以回收建筑余熱為目的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的空調(diào)形式，受到了越來越多的關(guān)注。
2 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的組成及工作原理
2.1系統(tǒng)的組成
        閉式水環(huán)熱泵（Water Loop Heat Pump）系統(tǒng)簡稱水環(huán)熱泵系統(tǒng)（WLHP)。它是由數(shù)量眾多、型號(hào)各異的水源熱泵空調(diào)機(jī)組（WSHP)，通過雙管閉合水環(huán)路并聯(lián)的空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，熱泵水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度在15-35℃。在冬季為了使熱泵入口水溫維持在最低溫度以上，根據(jù)情況，如需要向系統(tǒng)加入熱量，則系統(tǒng)中需設(shè)輔助加熱裝置。在夏季，如果水系統(tǒng)熱泵入口水溫升到35℃以上時(shí)，則部分熱量需要通過排放設(shè)施或冷卻塔排放到室外，以降低入口溫度。綜上所述，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般是由開式冷卻塔、換熱器、雙管封閉水系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、循環(huán)泵和輔助加熱裝置等組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.2系統(tǒng)的工作原理
        水源熱泵機(jī)組將循環(huán)水作為冷、熱源。通過四通換向閥改變制冷劑的流動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)制冷工況與制熱工況的轉(zhuǎn)換。在制冷工況時(shí)，利用制冷劑蒸發(fā)將空調(diào)房間中的熱量取出，傳入封閉環(huán)路的循環(huán)水中；制熱工況時(shí)，利用制冷劑蒸發(fā)吸收封閉環(huán)路中循環(huán)水的熱量，而在冷凝器中放熱到空調(diào)房間以實(shí)現(xiàn)供暖。從而形成一個(gè)以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特點(diǎn)的熱泵供暖、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。
3水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性分析
        水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用兩方面的節(jié)能手段：(1)利用廢氣、廢熱加熱循環(huán)水作為冬季供暖的補(bǔ)充熱源；(2)利用室內(nèi)余熱，當(dāng)建筑物內(nèi)有多余的熱量或同一時(shí)間內(nèi)部分區(qū)域需要制冷、部分區(qū)域需要制熱時(shí)，部分熱泵機(jī)組處于制冷工作狀態(tài)，向循環(huán)水放熱；另一部分機(jī)組處于制熱工作狀態(tài)，從循環(huán)水中吸收熱量。這樣，建筑物內(nèi)冷熱負(fù)荷可以在內(nèi)部消化掉一部分，從而達(dá)到節(jié)能的目的。冬季使用時(shí)，有輔助熱源加熱的問題，但該熱源只是提供10%-30%的熱負(fù)荷熱量，主要的熱負(fù)荷由一部分制冷方式運(yùn)行的機(jī)組回收冷凝熱來抵消或采用其它的余熱、廢熱來解決。
        水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種能充分利用低位熱能的高節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。春秋季節(jié)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)有40%制冷、60％制熱，供冷機(jī)組排出的熱量近似等于供熱機(jī)組所需的熱量，整個(gè)系統(tǒng)基本處于熱平衡狀態(tài)，既不需要外加熱量也無熱量排出，無需開動(dòng)加熱設(shè)備或冷卻塔，減少其運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)冬季運(yùn)行時(shí)，內(nèi)區(qū)利用空調(diào)機(jī)制冷，周邊區(qū)利用內(nèi)區(qū)房間放出的熱量加熱循環(huán)水，由循環(huán)水加給周邊房間，其不足部分再開動(dòng)加熱設(shè)備加以補(bǔ)充，從而減少能耗。因?yàn)闊岜每照{(diào)器其性能系數(shù)COP高、能耗低，供冷時(shí)COP可達(dá)3.6-4.3，供熱時(shí)COP為3.1-4.7，比常規(guī)風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)能15%- 20%。美國電力公司對不同空調(diào)系統(tǒng)的用電情況調(diào)查結(jié)果如表1所示，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是耗電量最少的系統(tǒng)。

表1 空調(diào)系統(tǒng)用電量比較

        水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性還表現(xiàn)在部分負(fù)荷的節(jié)能上。目前使用的傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)一般只有1-2臺(tái)或3-4臺(tái)主機(jī)，部分負(fù)荷時(shí)也需開1臺(tái)主機(jī)，即使能量調(diào)節(jié)，最少也要達(dá)到總?cè)萘康?5%，故浪費(fèi)了大量能源。而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是由單個(gè)的水源熱泵機(jī)組組成的，且分散在各個(gè)房間，在部分負(fù)荷時(shí)只有所需房間的熱泵機(jī)組和循環(huán)水運(yùn)行，因此能耗可大大降低。對于空調(diào)建筑，全年有75％的時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷不到設(shè)計(jì)負(fù)荷的一半，僅有5％的時(shí)間在設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，傳統(tǒng)的制冷、制熱、循環(huán)水系統(tǒng)長期在低效率下工作，能耗損失大。而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)則可視使用情況決定開機(jī)多少，達(dá)到節(jié)能效果。
        水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的水源熱泵機(jī)組是獨(dú)立的制冷制熱裝置，本身帶有安全保護(hù)和溫度控制裝置，它能夠提供全年性的非集中控制的空調(diào)服務(wù)。用戶可根據(jù)需要，自行調(diào)節(jié)控制互不干擾，不受時(shí)間限制。機(jī)組用電與用戶電表連接，分戶計(jì)費(fèi)，利于用戶節(jié)約用電。
4水環(huán)熱泵系統(tǒng)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性分析
4.1適應(yīng)性分析
        從水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性可以看出，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)并不是在任何情況下都適用。對于某一特定建筑，必須根據(jù)建筑物的冷熱負(fù)荷曲線，使用情況，建筑物功能，所處環(huán)境等諸多因素綜合評(píng)價(jià)使用該系統(tǒng)是否節(jié)能、合適。根據(jù)其回收功能及國內(nèi)外已有工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出其適用范圍如下：
        (1)建筑物內(nèi)有低品位廢熱可供利用；
        (2)從地理位置看，適用于冬季不太冷的地區(qū)；
        (3)從建筑規(guī)模看，建筑物體型大、有明顯的內(nèi)區(qū)和外區(qū)的劃分，同時(shí)需要制冷和制熱，而且排出的熱量與需要的熱量相近時(shí)最合適；
        (4)制冷量不大，且需要獨(dú)立計(jì)量，個(gè)別房間或區(qū)域經(jīng)常需在夜間或假日獨(dú)立使用的建筑；
        (5)適用于冬季內(nèi)區(qū)熱負(fù)荷較大的商場與辦公樓，可利用內(nèi)區(qū)熱負(fù)荷來抵消外區(qū)熱負(fù)荷，時(shí)間越長、數(shù)量越大、經(jīng)濟(jì)性能越好。
4.2經(jīng)濟(jì)性分析
        (1)投資成本低。水環(huán)熱泵系統(tǒng)化整為零，比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)，沒有集中制冷機(jī)房、鍋爐房、空調(diào)機(jī)房，減少了占地面積；所需風(fēng)管少；水管無保溫系統(tǒng)，節(jié)省了材料費(fèi)；溫度裝置在熱泵機(jī)組中，節(jié)省控制室的投資。
        (2)節(jié)省能源。水源熱泵機(jī)組同非水源熱泵機(jī)組相比具有效率高、電耗低、可同時(shí)供冷、供熱的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部能量平衡，達(dá)到節(jié)能的目的。
        (3)維修成本低。由于設(shè)備簡單，所以故障率低。
5水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)要掌握以下設(shè)計(jì)方法：
        (1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題是要精確計(jì)算建筑物的冷熱負(fù)荷，確定建筑物各部分的使用功能。W LHP系統(tǒng)環(huán)路循環(huán)水流量推薦值見表20
                        WLHP系統(tǒng)的優(yōu)化環(huán)路溫度見表3。

表2  WLHP系統(tǒng)的環(huán)路水流量推薦值

表3  WLHP系統(tǒng)的優(yōu)化環(huán)路溫度

        (2)按實(shí)際室溫與循環(huán)水進(jìn)水溫度選用WSHP機(jī)組，COP值要大，不能低于3.5。
        (3)選用WSHP機(jī)組應(yīng)考慮機(jī)外余壓是否足夠大，能否滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要或根據(jù)機(jī)外余壓確定機(jī)組前后風(fēng)管的尺寸。
        (4)在修正WSHP機(jī)組夏季性能數(shù)據(jù)時(shí)，其循環(huán)水溫度應(yīng)按當(dāng)?shù)叵募臼彝鉂袂驕囟燃?-4℃來取值。
        (5）如不能調(diào)節(jié)環(huán)路配管管徑，需校核每臺(tái)WSHP機(jī)組與環(huán)路供回水管連接的水壓差能否為機(jī)組提供所要求的水流量。
        (6)選擇輔助加熱裝置，輔助加熱量一般為系統(tǒng)總熱負(fù)荷的10%-30%。多采用電加熱、太陽能熱水器或煤氣熱水器。
        (7)環(huán)路循環(huán)水流量的最佳取值范圍為0.1537一0.125m3/kWh，環(huán)路循環(huán)水流量推薦值見表2，若低于推薦值可能造成機(jī)組因高壓過高或溫度過低而停機(jī)。
        (8)蓄熱水箱的容積可按理論計(jì)算與估算兩種方法來確定。隨著蓄水量的增大，鍋爐能耗迅速減少。但當(dāng)蓄水量增大到一定量后，鍋爐能耗趨于穩(wěn)定。典型的水環(huán)熱泵系統(tǒng)設(shè)備及管路中單位冷量的最佳固有蓄水量為11L/kW.
6結(jié)論
        (1)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一種較新的空調(diào)方式，具有鮮明的特點(diǎn)，合理使用可以起到較好的節(jié)能效果
        (2)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)余熱的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先根據(jù)建筑物的特點(diǎn)、功能、使用情況，判斷該方案是否節(jié)能。
        (3)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一種新型的空調(diào)形式，在實(shí)際應(yīng)用中還不多，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)借鑒國外的成熟經(jīng)驗(yàn)，尋找最佳的應(yīng)用切入點(diǎn)，使其發(fā)揮更大的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]丁愛軍，高翔．水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)若干技術(shù)問題的探討[C]．全國暖通空調(diào)制冷2000年學(xué)術(shù)年會(huì)，2000.
[2]馬最良，曹源．閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用評(píng)價(jià)［1］．空調(diào)設(shè)計(jì)，1997,（）．
[3]馬最良，曹源．閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)[J].通風(fēng)除塵，1997,（）．
[4]丁力行．水源熱泵在湖南地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析[J].流體機(jī)械，2000,（）．
作者簡介：王剛（1978-)，男，河北定州人，青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院碩士研究生。研究方向：空調(diào)設(shè)備與技術(shù)。