水環熱泵能耗影響因素分析及其節能研究方法

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，節能減排任務非常繁重。據建設部統計，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，采暖與空調的能耗比例高達65%[1]，是關鍵的能耗控制點。水環熱泵系統是相對新型的節能空調系統，但由于其節能性受工況影響較大，推廣應用存在較大困難，因此本文將就水環熱泵空調系統原理、水流量控制方式、節能影響因素等內容進行分析，以期為該系統的使用提供一定的參考。

1 水環熱泵空調系統簡介

1.1 發展歷程

水環熱泵空調系統與其它熱泵系統最大的不同，就是多了一套水環路，系統利用該水環路將多臺熱泵機組連接起來，通過將建筑內部的余熱轉移到供熱區，避免建筑的冷熱相消問題，從而實現節能的目的，因此被稱為“水環熱泵系統”。20世紀60年代，水環熱泵系統首先出現于美國加州，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，由于當時國內對其存在諸多不理解之處，使得水環熱泵空調系統在我國的應用并不理想，出現了許多失敗案例，阻礙了水環熱泵空調系統的推廣。隨著我國熱工理論的發展以及研究認知的不斷深化，至20世紀末，水環熱泵空調系統在國內終于得到了廣泛的應用[2]，21世紀得到進一步發展。

1.2 系統組成及工作原理

水環熱泵空調系統主要由三部分組成：①室內的小型水/空氣熱泵機組；②水循環環路；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，以水環路為排熱源，機組將熱量排放到水環路中，水環路的溫度升高，達到一定溫度時通過冷卻塔等設備使水環路溫度不再上升；冬季時，水／空氣熱泵機組開啟制熱模式，向水循環環路中的水吸收熱量，導致水環路的溫度降低，低于設定值時，需要利用輔助加熱設備向其供熱，使水環路的溫度不再下降；過渡季時，建筑各個分區存在負荷差異，部分熱泵機組開啟制熱模式，部分熱泵機組開啟制冷模式，環路水溫達到相對平衡狀態，冷卻塔和輔助熱源不需要開啟或者僅需要短時間開啟，此時的水環熱泵系統節能效果最佳。

圖1 水環熱泵空調系統原理圖

1.3 優勢

（1）水環熱泵屬于熱回收式系統。其運行過程中，內區的余熱被水環路轉移到外區，能有效減少常規空調系統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，使用水環熱泵空調系統消耗的能量遠小于常規空調系統。

（2）靈活性較強。由于水環熱泵空調系統的特性，能夠在供冷的同時進行供熱，可更好地滿足建筑內部不同空調分區的需求。

（3）系統穩定性強。由于水環熱泵空調系統的各個末端水環熱泵機組互不影響，故該系統的可靠性較高。

1.4 不足

（1）由于水環熱泵空調系統相比常規空調系統增加了循環水環路，因此，期初投資比常規的空調系統高一些。

（2）夏季運行時，由于水環熱泵機組本身性能系數較低，且水環路未能發揮其熱量遷移的功能，導致運行費用高于其他空調系統。

（3）水環熱泵機組安裝于室內時，相比于常規空調系統，其噪聲更大[3]。

2 水環熱泵空調系統的分類

根據水環路的流量是否恒定，水環熱泵空調系統可以分為兩類：定流量水環熱泵空調系統和變流量水環熱泵空調系統。

2.1 定流量水環熱泵空調系統

最初產生的水環熱泵系統是定流量水環熱泵空調系統，即水環路中的水在循環過程中，流量保持不變。水環熱泵空調系統是一種具有極大節能潛力的空調系統，在我國應用日益廣泛。但目前，國內采用的大多是定流量水環熱泵空調系統，其水環路中循環水使用定速水泵，系統中有一臺熱泵機組運行，環路循環水泵就不能停止運行，因此水泵基本上是連續運行的，應用于較大的、有內外分區的建筑，循環水流量較大，就這方面而言，存在較大的節能改進空間。

2.2 變流量水環熱泵空調系統

水環熱泵空調系統在實際應用中存在著諸多局限性，其中之一就是水環路中的水的流量較大，而隨著變頻技術的發展，出現了變流量水環熱泵空調系統。該系統的循環水量并非恒定不變，而是根據負荷變化而變化的。有許多學者針對變流量水環熱泵空調系統進行了研究。李浙[4]認為變流量水環熱泵空調系統的設計者在設計時，除了考慮循環水量如何均勻分配，還需要注意變頻泵共振現象。楊林山[5]對比了變流量水環熱泵空調系統在不同工況下以及在上海、北京和沈陽的應用節能性，并提出了根據負荷預測控制循環水量的模糊控制方法。

兩種水環熱泵系統的優缺點如表1所示。

表1 兩種水環熱泵空調系統優缺點比較

3 影響水環熱泵空調系統節能效果的因素

與傳統的空調系統相比，水環熱泵空調系統的節能效果會受更多因素的影響，主要有氣候分區、負荷率、循環水量和循環水溫等。

3.1 氣候分區的影響

水環熱泵空調系統是熱回收式系統，其主要的節能途徑是通過將建筑內區余熱轉移到外區，避免冷熱相消的問題，因此，建筑空調負荷的分布對水環熱泵空調系統的節能效果有較大的影響。由于我國各地區氣候差異明顯，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能效果，《民用建筑設計統一標準》（GB 50352—2019）對我國進行了氣候區劃。

為了研究我國不同的氣候分區對水環熱泵系統節能運行特性的影響，張慶華[6]在舊標準中的氣候分區中選擇具有代表性的城市，對水環熱泵空調系統在對應城市中的運行特性進行模擬分析，結果表明：相比于常規空調系統，水環熱泵系統的節能效果更好，且其節能效果具有地區適用性；在我國，對于水環熱泵系統的應用，節能效果最好的是寒冷地區，而夏熱冬暖地區則節能效果不明顯。

3.2 負荷率的影響

負荷率是指在一定時間內的平均負荷與最大負荷之間的比值。對于空調系統而言，負荷主要指冷熱負荷。由于水環熱泵系統通過回收建筑內的余熱并將之輸送到供熱區，因此，建筑的部分負荷率將會很大程度地影響水環熱泵系統的節能效果。選取寒冷地區某建筑物，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，進行水環熱泵系統和風冷熱泵系統的全年運行能耗工程測試，通過分析表明，在寒冷地區，負荷率發生變化時，兩者之中水環熱泵的節能效果變化程度更大，風冷熱泵與負荷率存在線性關系，而水環熱泵與負荷率存在非線性關系。

3.3 循環水量的影響

水環熱泵空調系統與其他空調系統在組成上最大的不同就是其多了一套循環水路和循環水泵，循環水泵的能耗大小將很大程度地影響水環熱泵的節能效果，而循環水泵能耗的大小主要取決于循環水量的大小，因此，循環水量將對水環熱泵的節能性產生一定的影響。李萌[8]為了研究水環熱泵空調系統的循環水量問題，從不同的熱泵形式、水系統形式入手，分析得出確定其循環水量的方法。

3.4 循環水溫的影響

循環水路中，不僅循環水量會對系統的節能性產生影響，循環水溫也會具有一定的影響。當其它條件不變時，若循環水溫升高，由于蒸發溫度的上升，處于制熱模式的機組制熱性能系數（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，水環熱泵系統的循環水溫和其節能性存在一定的關聯，而且是函數關系，在一定范圍內，必定存在一個能使水環熱泵空調系統的節能效果最佳的循環水溫。劉天偉[9]等通過分析得出結論：

（1）若冷熱負荷比RCH＜1，建筑內部存在熱負荷，則水環熱泵機組將多數處于制熱工況，此時，為了減少空調系統的一次能耗，提高循環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無明顯關聯，且為固定值；

（3）當冷熱負荷比接近1時，水環熱泵空調系統的水環路溫度達到相對平衡狀態，循環水溫對系統一次能耗的影響較小。

4 水環熱泵新的分析方法——能級差分析方法

4.1 基本依據

目前，水環熱泵空調系統節能運行特性主要研究方法是一次能源靜態分析方法[10]。由于該方法研究的水環熱泵空調系統的基本對象是建筑負荷，選取的評價指標是熱負荷數K，該評價指標與建筑負荷息息相關，導致水環熱泵空調系統運行時的評價指標不夠準確，加大了水環熱泵空調系統的節能效果研究的難度。而循環水溫能直接反映出水環熱泵機組的運轉效率和系統能耗，因此，循環水溫更能直接影響熱泵系統的運行能耗。基于上述考慮，有研究提出了水環熱泵新的分析方法——能級差分析方法。

4.2 能級差數的定義

在冬季時，建筑內部余熱相比于夏季少得多，需要額外供熱，增加了能耗，這便是水環熱泵系統在冬季時的節能效果不如夏季的原因。為了更加準確地研究水環熱泵空調系統的節能效果，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熱泵空調系統時，應重點考慮循環水在冬季時的放熱量。因此，能級差數應取循環水放出的熱量與該工況下總能量的比值。

4.3 能級差數分析系統運行工況節能性

利用能級差數對水環熱泵空調系統進行節能性研究分析時，能級差數是部分負荷率的單值函數。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在不同的負荷率下的變化規律。

5 結論

基于水環熱泵研究的評述，可得出如下結論：

（1）水環熱泵系統是一種比較特殊的空調系統，對使用場所具有適宜性要求，如應用于寒冷地區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能效果，而應用于夏熱冬暖地區則節能效果不明顯；

（2）水環熱泵空調系統的循環水泵能耗對整個空調系統影響很大，隨著變頻技術的發展，水環熱泵空調系統出現了新的類型——變流量水環熱泵空調系統；

（3）與傳統的空調系統相比，水環熱泵空調系統的節能效果會受更多因素的影響，主要有氣候分區、負荷率、循環水量和循環水溫等；

（4）一次能源靜態分析法是研究水環熱泵空調系統運行節能特性的最常用方法，但是該研究方法對水環熱泵空調系統的節能性分析存在一定的難度且準確性有所不足。針對水環熱泵空調系統的新的分析方法——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。