水环热泵能耗影响因素分析及其节能研究方法

2022-10-24郭佳全王杰黄春杰金晓公房电伟

重庆建筑 2022年10期

郭佳全，王杰，黄春杰，金晓公，房电伟

（1陆军工程大学国防工程学院，江苏南京 210007；2军事科学院国防工程研究院，北京 100000）

0 引言

节约能源已成为全社会的共识。目前我国因人口总量大等原因，能源消耗量依然位居世界前列，节能减排任务非常繁重。据建设部统计，我国的全国总能耗中，建筑能耗所占比例逐年增长，增长速度约达一个百分点，因此，减少建筑能耗是我国减少碳排放的一个重要途径。在建筑能耗中，采暖与空调的能耗比例高达65%[1]，是关键的能耗控制点。水环热泵系统是相对新型的节能空调系统，但由于其节能性受工况影响较大，推广应用存在较大困难，因此本文将就水环热泵空调系统原理、水流量控制方式、节能影响因素等内容进行分析，以期为该系统的使用提供一定的参考。

1 水环热泵空调系统简介

1.1 发展历程

水环热泵空调系统与其它热泵系统最大的不同，就是多了一套水环路，系统利用该水环路将多台热泵机组连接起来，通过将建筑内部的余热转移到供热区，避免建筑的冷热相消问题，从而实现节能的目的，因此被称为“水环热泵系统”。20世纪60年代，水环热泵系统首先出现于美国加州，于70年代在欧洲和日本得到广泛应用，直到80年代初才被引进我国，但是，由于当时国内对其存在诸多不理解之处，使得水环热泵空调系统在我国的应用并不理想，出现了许多失败案例，阻碍了水环热泵空调系统的推广。随着我国热工理论的发展以及研究认知的不断深化，至20世纪末，水环热泵空调系统在国内终于得到了广泛的应用[2]，21世纪得到进一步发展。

1.2 系统组成及工作原理

水环热泵空调系统主要由三部分组成：①室内的小型水/空气热泵机组；②水循环环路；③其它辅助设备（冷却塔、辅助热源等）。

基本工作原理：如图1所示，夏季时，水／空气热泵机组（图中未画出）制冷，以水环路为排热源，机组将热量排放到水环路中，水环路的温度升高，达到一定温度时通过冷却塔等设备使水环路温度不再上升；冬季时，水／空气热泵机组开启制热模式，向水循环环路中的水吸收热量，导致水环路的温度降低，低于设定值时，需要利用辅助加热设备向其供热，使水环路的温度不再下降；过渡季时，建筑各个分区存在负荷差异，部分热泵机组开启制热模式，部分热泵机组开启制冷模式，环路水温达到相对平衡状态，冷却塔和辅助热源不需要开启或者仅需要短时间开启，此时的水环热泵系统节能效果最佳。

图1 水环热泵空调系统原理图

1.3 优势

（1）水环热泵属于热回收式系统。其运行过程中，内区的余热被水环路转移到外区，能有效减少常规空调系统在部分时间段既需要供热又需要供冷导致的能源浪费问题。对于长时间需要同时供冷供热的大型办公建筑，使用水环热泵空调系统消耗的能量远小于常规空调系统。

（2）灵活性较强。由于水环热泵空调系统的特性，能够在供冷的同时进行供热，可更好地满足建筑内部不同空调分区的需求。

（3）系统稳定性强。由于水环热泵空调系统的各个末端水环热泵机组互不影响，故该系统的可靠性较高。

1.4 不足

（1）由于水环热泵空调系统相比常规空调系统增加了循环水环路，因此，期初投资比常规的空调系统高一些。

（2）夏季运行时，由于水环热泵机组本身性能系数较低，且水环路未能发挥其热量迁移的功能，导致运行费用高于其他空调系统。

（3）水环热泵机组安装于室内时，相比于常规空调系统，其噪声更大[3]。

2 水环热泵空调系统的分类

根据水环路的流量是否恒定，水环热泵空调系统可以分为两类：定流量水环热泵空调系统和变流量水环热泵空调系统。

2.1 定流量水环热泵空调系统

最初产生的水环热泵系统是定流量水环热泵空调系统，即水环路中的水在循环过程中，流量保持不变。水环热泵空调系统是一种具有极大节能潜力的空调系统，在我国应用日益广泛。但目前，国内采用的大多是定流量水环热泵空调系统，其水环路中循环水使用定速水泵，系统中有一台热泵机组运行，环路循环水泵就不能停止运行，因此水泵基本上是连续运行的，应用于较大的、有内外分区的建筑，循环水流量较大，就这方面而言，存在较大的节能改进空间。

2.2 变流量水环热泵空调系统

水环热泵空调系统在实际应用中存在着诸多局限性，其中之一就是水环路中的水的流量较大，而随着变频技术的发展，出现了变流量水环热泵空调系统。该系统的循环水量并非恒定不变，而是根据负荷变化而变化的。有许多学者针对变流量水环热泵空调系统进行了研究。李浙[4]认为变流量水环热泵空调系统的设计者在设计时，除了考虑循环水量如何均匀分配，还需要注意变频泵共振现象。杨林山[5]对比了变流量水环热泵空调系统在不同工况下以及在上海、北京和沈阳的应用节能性，并提出了根据负荷预测控制循环水量的模糊控制方法。

两种水环热泵系统的优缺点如表1所示。

表1 两种水环热泵空调系统优缺点比较

3 影响水环热泵空调系统节能效果的因素

与传统的空调系统相比，水环热泵空调系统的节能效果会受更多因素的影响，主要有气候分区、负荷率、循环水量和循环水温等。

3.1 气候分区的影响

水环热泵空调系统是热回收式系统，其主要的节能途径是通过将建筑内区余热转移到外区，避免冷热相消的问题，因此，建筑空调负荷的分布对水环热泵空调系统的节能效果有较大的影响。由于我国各地区气候差异明显，而气候差异对建筑能耗存在较大的影响，为了减少因气候条件差异而造成的资源浪费，有针对性地提高建筑节能效果，《民用建筑设计统一标准》（GB 50352—2019）对我国进行了气候区划。

为了研究我国不同的气候分区对水环热泵系统节能运行特性的影响，张庆华[6]在旧标准中的气候分区中选择具有代表性的城市，对水环热泵空调系统在对应城市中的运行特性进行模拟分析，结果表明：相比于常规空调系统，水环热泵系统的节能效果更好，且其节能效果具有地区适用性；在我国，对于水环热泵系统的应用，节能效果最好的是寒冷地区，而夏热冬暖地区则节能效果不明显。

3.2 负荷率的影响

负荷率是指在一定时间内的平均负荷与最大负荷之间的比值。对于空调系统而言，负荷主要指冷热负荷。由于水环热泵系统通过回收建筑内的余热并将之输送到供热区，因此，建筑的部分负荷率将会很大程度地影响水环热泵系统的节能效果。选取寒冷地区某建筑物，于齐东[7]将负荷率设置为100%、80%、60%、40%、20%五档，在这五档负荷率条件下，进行水环热泵系统和风冷热泵系统的全年运行能耗工程测试，通过分析表明，在寒冷地区，负荷率发生变化时，两者之中水环热泵的节能效果变化程度更大，风冷热泵与负荷率存在线性关系，而水环热泵与负荷率存在非线性关系。

3.3 循环水量的影响

水环热泵空调系统与其他空调系统在组成上最大的不同就是其多了一套循环水路和循环水泵，循环水泵的能耗大小将很大程度地影响水环热泵的节能效果，而循环水泵能耗的大小主要取决于循环水量的大小，因此，循环水量将对水环热泵的节能性产生一定的影响。李萌[8]为了研究水环热泵空调系统的循环水量问题，从不同的热泵形式、水系统形式入手，分析得出确定其循环水量的方法。

3.4 循环水温的影响

循环水路中，不仅循环水量会对系统的节能性产生影响，循环水温也会具有一定的影响。当其它条件不变时，若循环水温升高，由于蒸发温度的上升，处于制热模式的机组制热性能系数（COP）提高。相对地，由于冷凝温度的上升，处于制冷模式的机组制冷能效比（EER）下降。由此可以推断，水环热泵系统的循环水温和其节能性存在一定的关联，而且是函数关系，在一定范围内，必定存在一个能使水环热泵空调系统的节能效果最佳的循环水温。刘天伟[9]等通过分析得出结论：

（1）若冷热负荷比RCH＜1，建筑内部存在热负荷，则水环热泵机组将多数处于制热工况，此时，为了减少空调系统的一次能耗，提高循环水温能达到较为理想的效果；

（2）当冷热负荷比RCH＞1时，建筑的一次能耗量与RCH无明显关联，且为固定值；

（3）当冷热负荷比接近1时，水环热泵空调系统的水环路温度达到相对平衡状态，循环水温对系统一次能耗的影响较小。

4 水环热泵新的分析方法——能级差分析方法

4.1 基本依据

目前，水环热泵空调系统节能运行特性主要研究方法是一次能源静态分析方法[10]。由于该方法研究的水环热泵空调系统的基本对象是建筑负荷，选取的评价指标是热负荷数K，该评价指标与建筑负荷息息相关，导致水环热泵空调系统运行时的评价指标不够准确，加大了水环热泵空调系统的节能效果研究的难度。而循环水温能直接反映出水环热泵机组的运转效率和系统能耗，因此，循环水温更能直接影响热泵系统的运行能耗。基于上述考虑，有研究提出了水环热泵新的分析方法——能级差分析方法。

4.2 能级差数的定义

在冬季时，建筑内部余热相比于夏季少得多，需要额外供热，增加了能耗，这便是水环热泵系统在冬季时的节能效果不如夏季的原因。为了更加准确地研究水环热泵空调系统的节能效果，主要应考虑其在冬季时的运行情况。利用能级差分析方法研究水环热泵空调系统时，应重点考虑循环水在冬季时的放热量。因此，能级差数应取循环水放出的热量与该工况下总能量的比值。