熱泵從本質上來說是一種熱回收裝置，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(jié)省高位能的租用。自1989年以來，熱泵技術在我國的應用與發(fā)展進入了興旺期。據統計，1996年我國空調設備（指電動冷熱水機組、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]。時至今日，水環(huán)熱泵空調系統在我國的應用已經有了不小的普及。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始采用水環(huán)熱泵空調系統。此外，有關水環(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院就開始了水環(huán)熱泵空調系統在我國應用的預測分析與評價。之后，不少相關論文隨之發(fā)表，如文獻[3]。2005年，國內水環(huán)熱泵空調系統的工程技術專著，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/熱泵機組并聯在一起，形成一個封閉環(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，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，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，循環(huán)環(huán)路中的水才能維持在一定溫度范圍內，此時系統高效運行。

 

    2 水環(huán)熱泵空調系統的優(yōu)點

 

    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：如回收建筑物余熱的特有功能；不像傳統鍋爐那樣會對環(huán)境產生污染；省掉或減少常規(guī)空調系統的冷熱源設備和機房；便于分戶計量與記費；便于安裝、管理等。據有關文獻的預測分析，水環(huán)熱泵空調系統上一種很有前途的節(jié)能型空調系統[2]。下面，本文從組成系統的三個方面逐一分析水環(huán)熱泵空調系統的優(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(qū)需要額外的熱量來維持室內溫度的穩(wěn)定舒適；與此同時，建筑物的內區(qū)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)熱泵空調系統通過同時連通建筑物周邊區(qū)和內區(qū)的水循環(huán)環(huán)路，可以將內區(qū)產生的余熱轉移到周邊區(qū)，在對內區(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節(jié)約了能源。當建筑物內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)熱泵空調系統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)空調系統必須采用造價昂貴的四管制風機盤管系統而言，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，就不會存在或者減少常規(guī)的四管制的風機盤管系統對各個條件要求不同的房間空調時所出現的冷熱量抵消，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(guī)空調系統小得多。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)空調系統要小得多。總的來說，水環(huán)熱泵空調系統與常規(guī)空調系統相比，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房間內。各房間內的用戶就可以根據室外溫度的變化和各自不同的要求，在一年內的任何時間隨意進行房間里的供暖或供冷的調節(jié)，而不會影響到其它房間的溫度。由于便于調節(jié)也不會出現房間過冷、過熱等情況，既避免了常規(guī)空調系統的能源浪費，又營造了良好的室內環(huán)境。同時，室內的小型水/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)空調系統，就必須一次購齊冷水機組及其它設備，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)熱泵空調系統在舊樓翻新或系統改造中頗有市場，因為常規(guī)空調系統無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)來進行改造工程，造成的經濟損失較大。

 

    對于設計方來說，由于采用了室內的小型水/空氣熱泵機組，也就沒有了體積龐大的風管、冷水機組等，所以系統布置更加緊湊、簡潔和靈活，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濟性。因為蓄熱裝置可以實現內區(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

 

    水環(huán)熱泵空調系統的發(fā)展主要面臨來自兩個方面的問題：其一是從系統這個方面來看，國內的一些建筑物內余熱小或無預熱，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；其二是從設備這個方面來看，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題也限制了其更廣泛的應用。目前，針對上述的兩個缺點，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(qū)有大量余熱且周邊區(qū)需要供熱，才能通過水環(huán)熱泵空調系統將建筑物內區(qū)的余熱轉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部負荷不大，建筑物的內區(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。

 

    解決建筑物內余熱不足這個問題的途徑，就是由建筑物的外部引進低溫熱源，以替代建筑物內的余熱量。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(jié)能效果[2]。此外，哈爾濱工業(yè)大學提出一種空氣/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(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余熱不足的問題，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，熱泵機組內部的壓縮機和風機將會成為一個很大的噪聲源，無法滿足室內環(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濟性這個問題，我們可以通過在空調系統設計中采用混合系統的形式加以解決。混合系統是指水/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濟性，在建筑物內區(qū)設置單元式空調機組（水冷），向內區(qū)供冷，而周邊區(qū)設置水/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形式[7]。

 

    而在控制房間內的小型水/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、合理設計、正確安裝、認真調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，完全可以滿足室內環(huán)境噪聲標準要求。

 

    4 結束語

 

    由以上分析可以可以看出，只要我們合理設計、規(guī)范安裝、靈活管理，水環(huán)熱泵空調系統就一定能發(fā)揮出它既有的經濟、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。當然，我們也應當根據各個地區(qū)、各個建筑物的特點，確定是否采用水環(huán)熱泵空調系統。尤其是北方地區(qū)的、內區(qū)面積大、內區(qū)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(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)熱泵空調系統，因為它并不比風機盤管或其它常規(guī)空調系統節(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)能技術和節(jié)能產品的開發(fā)[1]。水環(huán)熱泵空調系統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合，更能拓寬其應用范圍。在國家日益重視建筑節(jié)能的今天，水環(huán)熱泵空調系統有著巨大的節(jié)能潛力和廣闊的應用前景。