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水環熱泵空調系統的原理

水環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，以水循環環路中的水為加熱源；機組制冷時，則以水為排熱源。當水環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，循環環路中的水溫度升高，到一定程度時利用冷卻塔放出熱量；反之循環環路中的水溫度降低，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，循環環路中的水才能維持在一定溫度范圍內，此時系統運行。

水環熱泵空調系統的優點

上世紀80年代初期在我國應用的一些水環熱泵空調系統顯示出了許多的優點：如回收建筑物余熱的*功能；不像傳統鍋爐那樣會對環境產生污染；省掉或減少常規空調系統的冷熱源設備和機房；便于分戶計量與記費；便于安裝、管理等。據有關文獻的預測分析，水環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方面逐一分析水環熱泵空調系統的優點。

水循環環路方面

首先，按水環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維持室內溫度的穩定舒適；與此同時，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。

水環熱泵空調系統通過同時連通建筑物周邊區和內區的水循環環路，可以將內區產生的余熱轉移到周邊區，在對內區供冷的同時對周邊區供熱，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節約了能源。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，采用水環熱泵空調系統的運行費用zui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，水環熱泵空調系統的水循環環路仍然采用兩管制。如此，就不會存在或者減少常規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，更節省了管道系統的初投資費用。

再次，由于水循環環路中的水溫在常溫范圍內、與其環境溫度的溫差不大，所以常溫水所消耗的能量比常規空調系統小得多。同時，因為減少了輸配過程中的冷熱耗散等損失，環路的熱損失也比常規空調系統要小得多。總的來說，水環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，由于水循環環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。

小型水/空氣熱泵機組方面

水環熱泵空調系統一般采用的都是室內的，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間里的供暖或供冷的調節，而不會影響到其它房間的溫度。由于便于調節也不會出現房間過冷、過熱等情況，既避免了常規空調系統的能源浪費，又營造了良好的室內環境。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。

對于業主來說，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揮效益；而水環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，其效益高、見效快。這一特點也使水環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），也為業主增大了使用面積及有效空間。水環熱泵空調。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。

輔助設備方面

如果再在水環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制冷機組向水循環環路中釋放的冷凝熱與周邊區制熱機組從水循環環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。

水環熱泵空調系統的缺點

水環熱泵空調系統的發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，致使其不能充分發揮原有的一些優點；其二是從設備這個方面來看，水環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，以期推廣水環熱泵空調系統的應用。

建筑物內余熱不足

通過分析水環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，才能通過水環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環路中的循環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，用空氣源熱泵冷熱水機組制備10℃～20℃低溫水，通過水環路送至室內各個水/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]。總而言之，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，拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍。

小型水/空氣熱泵機組

*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，無法足室內環境的噪聲標準要求。

針對如何提高水環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

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，*可以滿足室內環境噪聲標準要求。

熱泵空調系統的原理及主要特點

熱泵與建筑空調

熱泵空調系統的原理及主要特點

1. 熱泵原理 熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。熱泵與制冷機的工作原理和過程是*相同的，從熱力學的觀點看都是熱機工作過程的反循環。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應用的目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵，反之則稱為制冷機。

2. 主要特點 建筑的空調系統一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統的空調系統通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。燃煤鍋爐是zui主要的大氣污染源，中小型燃煤鍋爐在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然氣的鍋爐雖然減輕了對大氣的污染，但排放的溫室效應氣體（CO2）仍造成環境問題，而且運行費用很高。建筑空調系統由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節省了很大的初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，*解決了大氣污染的問題。此外，采用熱泵空調系統還可以兼顧生活熱水供應，特別在制冷（空調）工況下可利用制冷的廢熱加熱熱水，不需額外消耗能量。采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產生熱量，并通過若干個傳熱環節zui終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發熱量之比）不可能超過*。如果先利用燃燒燃料產生的高溫熱能發電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環境中吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數，即供熱量與消耗的電能之比，現在可達到3~4；火力發電站的效率可達35~58%（高值為燃氣聯合循環電站）。采用燃料發電再用熱泵供熱的方式，在現有*技術條件下一次能源利用率也可以達到200%以上。用電熱設備（例如電暖氣、電鍋爐，電輻射采暖）也可以把電能轉變為熱能，為什么還要用熱泵呢？由于用電阻加熱設備把電能轉化為熱能的性能系數 (COP) 為1，而在火力發電廠中由燃料的化學能轉化為電能總的效率約為32-50%；因此這種電阻加熱方式總的一次能源利用率很低，是不經濟的。

（二）空調熱泵的分類及其優缺點 以建筑物的空調（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統，其一個熱源就是建筑物內部的環境，就其另一個熱源的性質來分，現在常用的有空氣源熱泵、地下水源熱泵和地源熱泵等幾大類。在冬季供熱工況下，室外空氣、水或大地中的低品位熱量通過熱泵做功而提高溫度以對建筑物供熱。

1． 空氣源熱泵 空氣源熱泵利用室外的空氣作為低溫熱源，系統zui為簡單，因而初投資zui省，現有的家用冷暖空調器就是這樣的空氣源熱泵。空氣源熱泵的缺點是室外空氣溫度越低時供熱量越小，特別是當空氣溫度低于 -5℃ 時熱泵就難以正常工作，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱，熱泵的效率大大降低。此外，空氣源熱泵的蒸發器上會結霜，需要定期除霜，也損失相當大一部分能量。

2． 地下水源熱泵推廣這種技術有明顯的節能和保護大氣環境的效益，對宣傳和推動熱泵技術在空調中的應用也起到了積極的作用。但是，這種“地下水源熱泵”技術也存在明顯的先天缺陷。首先，這種抽取地下水的辦法需要有豐富的地下水為先決條件，如果地下水位較低，水泵的耗電將大大降低系統的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水資源的流失。即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。水資源是當前zui緊缺、zui寶貴的資源，任何對水資源的浪費或污染都是不可允許的。因此，對大面積推廣這種技術應采取慎重的態度。

3． 地源熱泵 另一種熱泵利用大地作為熱泵系統的熱源的技術，可以稱之為“地源熱泵”，或“地埋管地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。據測算，采用地源熱泵供熱時在濟南地區的住宅在一個采暖季節的供熱費用可在10元/m2以下，約為采用電鍋爐或天然氣鍋爐供熱時的費用的1/3。夏季空調的電耗也大大減少。簡要的說，地源熱泵空調系統主要優點是：環保節能，可持續發展；一機多用，節省建筑空間，無需冷卻塔和室外風冷部分，對建筑外觀影響小；運行費用低，快；全年運行，均衡用電負荷。現在在國外得到較為廣泛應用的地源熱泵系統采用介質流經埋在地下的管子與大地（土壤、地層、地下水）進行換熱的模式。地源熱泵（Ground-Source Heat Pump）的概念zui早出現在1912年瑞士的一份文獻中，不受污染給予了高度的重視。在鉆孔、下管以后，再用水泥、膨潤土等材料把井筒密封，杜絕了地面污染物進入地下水層或各地下水層之間互相貫通的可能性。