水環(huán)熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)

    熱泵從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種熱回收裝置，它從低溫熱源處吸取熱量并提高品位后，再在高溫熱源處放熱，起到節省高位能的租用。自1989年以來(lái)，熱泵技術(shù)在我國的應用與發(fā)展進(jìn)入了興旺期。據統計，1996年我國空調設備（指電動(dòng)冷熱水機組、吸收式冷熱水機組、房間空調器以及單元空調機組，但不包括進(jìn)口機組）的總制冷能力約為2000萬(wàn)kW，其中熱泵型機組的制冷能力約占60%[1]。   20世紀80年代初，我國在一些外商投資的建筑中采用了水環(huán)熱泵空調系統[2]。時(shí)至今日，水環(huán)熱泵空調系統在我國的應用已經(jīng)有了不小的普及。90年代水環(huán)熱泵空調系統便在我國得到廣泛的應用。據統計，1997年國內采用的工程共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(kāi)始采用水環(huán)熱泵空調系統。此外，有關(guān)水環(huán)熱泵空調系統的研究也卓有成效。從1993年起，原哈爾濱建筑工程學(xué)院就開(kāi)始了水環(huán)熱泵空調系統在我國應用的預測分析與評價(jià)。之后，不少相關(guān)論文隨之發(fā)表，如文獻[3]。2005年，國內水環(huán)熱泵空調系統的工程技術(shù)專(zhuān)著(zhù)，即文獻[4]——《水環(huán)熱泵空調系統設計》出版。

 

    1 水環(huán)熱泵空調系統的概況

 

    水環(huán)熱泵空調系統是指小型的水/空氣熱泵機組的一種應用方式，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(gè)封閉環(huán)路，構成一套回收建筑物內部余熱作為其低位熱源的熱泵供暖、供冷的空調系統。典型的水環(huán)熱泵空調系統由三部分組成：

 

    （1）室內的小型水/空氣熱泵機組；（2）水循環(huán)環(huán)路；（3）輔助設備（如冷卻塔、加熱設備、蓄熱裝置等）。

 

    水環(huán)熱泵空調系統的基本工作原理是：在水/空氣熱泵機組制熱時(shí)，以水循環(huán)環(huán)路中的水為加熱源；機組制冷時(shí)，則以水為排熱源。當水環(huán)熱泵空調系統制熱運行的吸熱量小于制熱運行的放熱量時(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)輔助加熱設備吸收熱量。只有當水/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(shí)，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內，此時(shí)系統高效運行。

 

    2 水環(huán)熱泵空調系統的優(yōu)點(diǎn)

 

    上世紀80年代初期在我國應用的一些水環(huán)熱泵空調系統顯示出了許多的優(yōu)點(diǎn)：如回收建筑物余熱的特有功能；不像傳統鍋爐那樣會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生污染；省掉或減少常規空調系統的冷熱源設備和機房；便于分戶(hù)計量與記費；便于安裝、管理等。據有關(guān)文獻的預測分析，水環(huán)熱泵空調系統上一種很有前途的節能型空調系統[2]。下面，本文從組成系統的三個(gè)方面逐一分析水環(huán)熱泵空調系統的優(yōu)點(diǎn)。

 

    2.1 水循環(huán)環(huán)路方面

 

    首先，按水環(huán)熱泵空調系統在建筑物中的用途，它屬于熱回收式熱泵系統。在室外空氣溫度較低的情況下，建筑物的周邊區需要額外的熱量來(lái)維持室內溫度的穩定舒適；與此同時(shí)，建筑物的內區則因為存在室內熱源（如照明、設備、人體等散熱），而需要降低室內的溫度。

 

    水環(huán)熱泵空調系統通過(guò)同時(shí)連通建筑物周邊區和內區的水循環(huán)環(huán)路，可以將內區產(chǎn)生的余熱轉移到周邊區，在對內區供冷的同時(shí)對周邊區供熱，而不存在或者少量存在常規空調系統在同種情況下的冷熱量抵消所造成的能量浪費。因此，該系統的建筑物熱回收效果好，在充分利用余熱的同時(shí)節約了能源。當建筑物內部同時(shí)由供熱工況機組和供冷工況機組模式同時(shí)運行時(shí)，采用水環(huán)熱泵空調系統的運行費用最多可降低至50％左右。

 

    其次，與上類(lèi)似，為了達到同時(shí)供冷供暖的效果，相對于常規空調系統必須采用造價(jià)昂貴的四管制風(fēng)機盤(pán)管系統而言，水環(huán)熱泵空調系統的水循環(huán)環(huán)路仍然采用兩管制。如此，就不會(huì )存在或者減少常規的四管制的風(fēng)機盤(pán)管系統對各個(gè)條件要求不同的房間空調時(shí)所出現的冷熱量抵消，避免了由此造成的能量的無(wú)謂消耗，更節省了管道系統的初投資費用。

 

    再次，由于水循環(huán)環(huán)路中的水溫在常溫范圍內、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空調系統小得多。同時(shí)，因為減少了輸配過(guò)程中的冷熱耗散等損失，環(huán)路的熱損失也比常規空調系統要小得多?？偟膩?lái)說(shuō)，水環(huán)熱泵空調系統與常規空調系統相比，僅管道熱損失減少這一項，節能效率約為8％～15％[5]。而且，由于水循環(huán)環(huán)路管道可不設保溫和防潮隔濕，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)熱泵空調系統采用的都是室內的，根據室內負荷的大小分別安裝在各個(gè)房間內。各房間內的用戶(hù)就可以根據室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內的任何時(shí)間隨意進(jìn)行房間里的供暖或供冷的調節，而不會(huì )影響到其它房間的溫度。由于便于調節也不會(huì )出現房間過(guò)冷、過(guò)熱等情況，既避免了常規空調系統的能源浪費，又營(yíng)造了良好的室內環(huán)境。同時(shí)，室內的小型水/空氣熱泵機組也便于分戶(hù)計量和分戶(hù)收費。

 

    對于業(yè)主來(lái)說(shuō)，如果采用常規空調系統，就必須一次購齊冷水機組及其它設備，往往會(huì )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)熱泵空調系統中的小型水/空氣熱泵機組可以分期投資、分批建設，甚至可以在用戶(hù)入住前逐層安裝，其投資回報效益高、見(jiàn)效快。這一特點(diǎn)也使水環(huán)熱泵空調系統在舊樓翻新或系統改造中頗有市場(chǎng)，因為常規空調系統無(wú)法避免損壞原有的結構，且不易找到適合的冷凍機房，一般還需要全樓停業(yè)來(lái)進(jìn)行改造工程，造成的經(jīng)濟損失較大。

 

    對于設計方來(lái)說(shuō)，由于采用了室內的小型水/空氣熱泵機組，也就沒(méi)有了體積龐大的風(fēng)管、冷水機組等，所以系統布置更加緊湊、簡(jiǎn)潔和靈活，也不用再設置空調機房（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。對于施工方來(lái)說(shuō)，由于小型水/空氣熱泵機組可以在工程里進(jìn)行組裝，所以減少了工地的安裝工作量。   2.3 輔助設備方面   如果再在水環(huán)熱泵空調系統中加入蓄熱裝置等輔助設備，則更能提高系統的經(jīng)濟性。因為蓄熱裝置可以實(shí)現內區制冷機組向水循環(huán)環(huán)路中釋放的冷凝熱與周邊區制熱機組從水循環(huán)環(huán)路中吸取的熱量在一天或者更長(cháng)的時(shí)間周期內達到平衡，從而降低了冷卻塔和水加熱器的年耗能量。

 

    3 水環(huán)熱泵空調系統的缺點(diǎn)

 

    水環(huán)熱泵空調系統的發(fā)展主要面臨來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的問(wèn)題：其一是從系統這個(gè)方面來(lái)看，國內的一些建筑物內余熱小或無(wú)預熱，尚需補充加熱設備，致使其不能充分發(fā)揮原有的一些優(yōu)點(diǎn)；其二是從設備這個(gè)方面來(lái)看，水環(huán)熱泵空調系統中采用的小型水/空氣熱泵機組所存在的一些固有問(wèn)題也限制了其更廣泛的應用。目前，針對上述的兩個(gè)缺點(diǎn)，也出現了許多的解決辦法，以期推廣水環(huán)熱泵空調系統的應用。

 

    3.1 建筑物內余熱不足

 

    通過(guò)分析水環(huán)熱泵空調系統的運行特性我們可知，只有當建筑物內區有大量余熱且周邊區需要供熱，才能通過(guò)水環(huán)熱泵空調系統將建筑物內區的余熱轉移到需要熱量的周邊區，從而達到回收建筑物余熱、節約能源的目的。但是，我國的各類(lèi)建筑物內部負荷不大，建筑物的內區面積又小，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)熱泵空調系統，則勢必要增設鍋爐。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)幾的低溫熱源，再由水/空氣熱泵機組消耗電能將其提升到高位熱量向室內供暖，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(gè)環(huán)境污染的問(wèn)題。

 

    解決建筑物內余熱不足這個(gè)問(wèn)題的途徑，就是由建筑物的外部引進(jìn)低溫熱源，以替代建筑物內的余熱量。太陽(yáng)能、水（地表水、井水、河水等）、土壤、空氣均可作為水環(huán)熱泵空調系統的外部能源[6]。例如大連電力大廈（高層單元式建筑）利用熱電廠(chǎng)冷卻水作為水環(huán)熱泵空調系統的外部熱源，收到良好的節能效果[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。該系統在寒冷地區，用空氣源熱泵冷熱水機組制備10℃～20℃低溫水，通過(guò)水環(huán)路送至室內各個(gè)水/空氣熱泵機組中，水/空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室內空氣，達到供暖目的[7]?？偠灾?，可以通過(guò)廉價(jià)的輔助熱源來(lái)解決建筑物內余熱不足的問(wèn)題，拓寬水環(huán)熱泵空調系統的應用范圍。

 

    3.2 小型水/空氣熱泵機組

 

    首當其沖的是小型水/空氣熱泵機組的的制冷性能系數COP遠小于大型冷水機組，而且在相同制冷量條件下價(jià)格就其它型式的主機來(lái)講也偏高。另外一個(gè)重要的問(wèn)題，就是小型水/空氣熱泵機組安裝在室內，熱泵機組內部的壓縮機和風(fēng)機將會(huì )成為一個(gè)很大的噪聲源，無(wú)法滿(mǎn)足室內環(huán)境的噪聲標準要求。

 

    針對如何提高水環(huán)熱泵空調系統在供冷中的經(jīng)濟性這個(gè)問(wèn)題，我們可以通過(guò)在空調系統設計中采用混合系統的形式加以解決?；旌舷到y是指水/空氣熱泵機組同其它空調設備（如冷水機組、單元柜式空調機等）共同組合而成為全新的空調系統。同樣，為了提高系統運行的經(jīng)濟性，在建筑物內區設置單元式空調機組（水冷），向內區供冷，而周邊區設置水/空氣熱泵機組，向周邊區供冷或供熱，也是一種值得注意的混合系統形式[7]。

 

    而在控制房間內的小型水/空氣熱泵機組噪聲問(wèn)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、合理設計、正確安裝、認真調試和維護等四個(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，如果在工程建設中能夠正確對待噪聲問(wèn)題，采取合理措施，完全可以滿(mǎn)足室內環(huán)境噪聲標準要求。

 

    4 結束語(yǔ)

 

    由以上分析可以可以看出，只要我們合理設計、規范安裝、靈活管理，水環(huán)熱泵空調系統就一定能發(fā)揮出它既有的經(jīng)濟、節能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。當然，我們也應當根據各個(gè)地區、各個(gè)建筑物的特點(diǎn)，確定是否采用水環(huán)熱泵空調系統。尤其是北方地區的、內區面積大、內區的余熱量也大的建筑物，最適于采用水環(huán)熱泵空調系統。相反，南方一些地區的、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)熱泵空調系統，因為它并不比風(fēng)機盤(pán)管或其它常規空調系統節能。

 

    在能源每年增長(cháng)率約為3％～5％的條件下，要滿(mǎn)足國民經(jīng)濟持續每年增長(cháng)8％～9％，即在能源短缺的條件下，必須重視節能技術(shù)和節能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)[1]。水環(huán)熱泵空調系統本身回收建筑物余熱、節約能源，若與太陽(yáng)能、地下水、工業(yè)廢水等低位熱源相結合，更能拓寬其應用范圍。在國家日益重視建筑節能的今天，水環(huán)熱泵空調系統有著(zhù)巨大的節能潛力和廣闊的應用前景。