摘要：海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其能夠利用蘊(yùn)藏在海水中的巨大熱能資源，近年來(lái)在許多沿海城市，正逐漸受到人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注。本文主要針對(duì)可同時(shí)為多棟建筑供冷/熱的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的具體應(yīng)用形式進(jìn)行討論，提出按熱泵機(jī)組的設(shè)置地點(diǎn)不同而分為集中、分散和雙級(jí)耦合式三種方式，并同時(shí)討論了各種方式在冬、夏季的可能運(yùn)行方式，總結(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的具體實(shí)施及更深入地研究提供參考。
關(guān)鍵詞：海水源熱泵熱泵空調(diào)集中供冷供熱
1引言
目前，能源問(wèn)題已成為舉世關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，建筑能耗占到全國(guó)總能耗的近四分之一；因此，節(jié)能以及可再生能源的利用就成為研究重點(diǎn)。我國(guó)海岸線較長(zhǎng)，一些沿海城市已開(kāi)始計(jì)劃利用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供冷、熱源，以節(jié)約能源，減小污染，服務(wù)于生態(tài)城市的建設(shè)。本文將主要針對(duì)海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的具體應(yīng)用形式及特點(diǎn)進(jìn)行討論，旨在為有關(guān)工程的具體實(shí)施方案和運(yùn)行管理提供參考。
2海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述
海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)就是利用海水做為熱源或熱匯，并通過(guò)熱泵機(jī)組，加熱熱媒或冷卻冷媒，最終為建筑提供熱量或冷量的系統(tǒng)。海水中所蘊(yùn)含的熱能是典型的可再生能源，因此，海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)也是可再生能源的一種利用方式，是一種具有節(jié)能、環(huán)保意義的綠色供熱空調(diào)系統(tǒng)。
巨大的海面時(shí)刻接受太陽(yáng)的輻射，并受大洋環(huán)流，海域周圍具體氣候條件的影響，故海水溫度數(shù)值會(huì)因地、因時(shí)而異。為盡量提高海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供熱/冷的效率以及整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，有必要研究在不同的海水資源條件下，為滿足熱用戶的需求，可供選擇的各種海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式及其運(yùn)行模式。
3海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式
本文所討論的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指能夠同時(shí)為多棟建筑提供冷/熱源的系統(tǒng)。海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以從多個(gè)角度進(jìn)行分類，這里只討論按海水熱泵機(jī)組的設(shè)置地點(diǎn)不同而進(jìn)行的分類，可以分成三大類：
3.1集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)
所謂集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)，就是將所有的海水熱泵機(jī)組集中起來(lái)設(shè)置于統(tǒng)一的熱泵機(jī)房?jī)?nèi)（熱泵機(jī)房根據(jù)需要可設(shè)置于海邊或用戶區(qū)域附近），制備的冷/熱水通過(guò)小區(qū)外網(wǎng)輸送至各用戶，如圖1所示，故也可稱之為海水熱泵集中供冷供熱系統(tǒng)。
3.1.1冬季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
（1）集中熱泵站將網(wǎng)路回水直接加熱至用戶所需的溫度后（如60/50℃的供回水溫度），依次輸送給各熱用戶，用戶與外網(wǎng)采用無(wú)混合裝置的直接連接方式。
（2）集中熱泵站將網(wǎng)路回水加熱至比用戶實(shí)際所需的供水溫度略高后送出（如65/50℃的供回水溫度），用戶與網(wǎng)路可采用有混合水泵的直接連接方式（如圖2所示）。與前一種方式相比，它雖然因網(wǎng)路供水溫度略有升高而使得熱泵機(jī)組的COP值略低，但此時(shí)網(wǎng)路的循環(huán)水泵因不必考慮最不利環(huán)路的末端用戶阻力損失，揚(yáng)程有所下降；同時(shí)，由于網(wǎng)路供回水溫差的增大，還使得輸送同樣能量的網(wǎng)路循環(huán)水量減少，從而節(jié)約水泵的輸送能耗；另外，還可減少熱源近端用戶因節(jié)流而帶來(lái)的能量損耗。還有一點(diǎn)值得注意的是，此種網(wǎng)路運(yùn)行方式，還允許用戶根據(jù)自身需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整自己的供水溫度，比前一種方式具有更大的靈活性。
3.1.2夏季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
（1）集中熱泵站直接制備各用戶夏季實(shí)際所需的冷凍水（如7/12℃的冷凍水）后，依次輸送給各用戶，用戶與外網(wǎng)采用無(wú)混合裝置的直接連接方式。
（2）集中熱泵站制備比用戶實(shí)際所需略低的冷凍水（如5/12℃的冷凍水），再輸送給各用戶，同樣，此時(shí)用戶與網(wǎng)路可采用裝有混合水泵的直接連接方式。此種運(yùn)行方式所具有的特點(diǎn)與前面冬季時(shí)對(duì)應(yīng)的情況相同，不再重復(fù)。
3.1.3集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析
與目前通常采用的各建筑單獨(dú)設(shè)置電制冷機(jī)組制冷和鍋爐房熱水供暖的方式相比，此種系統(tǒng)主要有如下方面的優(yōu)勢(shì)：
（1）可以充分利用各用戶負(fù)荷分布多樣性特點(diǎn)（即并非所有的用戶都在同一時(shí)刻達(dá)到峰值負(fù)荷），減少設(shè)備的總裝機(jī)容量，也有利于降低自身的初投資。
（2）大型熱泵機(jī)組的COP值比小型機(jī)組的要高（一些具體數(shù)值可參見(jiàn)[1]），提高了能量利用效率。
（3）雖然熱泵機(jī)組通常仍需要用電實(shí)現(xiàn)制冷/熱，但由于它在一年的大部分時(shí)間里都在較高的COP值下運(yùn)行，仍然具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)（類似的計(jì)算分析參見(jiàn)[2]），這也是海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)之所以受到關(guān)注的一個(gè)重要原因。
（4）各用戶內(nèi)的冷熱源機(jī)房，以及位于室外的冷卻塔都可以取消，這樣既節(jié)省了許多寶貴的建筑面積，增加了業(yè)主的收益，又可以減輕由設(shè)備的布置而給結(jié)構(gòu)專業(yè)帶來(lái)的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，和降低結(jié)構(gòu)施工的成本；同時(shí)，也消除了由這些設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲；另外，取消了通常置于樓頂?shù)睦鋮s塔后，美化了建筑的外觀，使屋頂綠化的方案更容易實(shí)現(xiàn)。
（5）由于大量使用海水，故可節(jié)約有限的淡水資源。淡水資源的缺乏是世界性難題，我國(guó)許多沿海城市都是嚴(yán)重缺淡水城市，節(jié)約淡水資源的意義重大。
（6）熱泵機(jī)組集中布置后，有助于專業(yè)人員的集中管理與維護(hù)，既節(jié)約了運(yùn)行成本，又能夠提高供冷/熱的可靠性。
（7）環(huán)保效果明顯。前面提到的節(jié)能、減少噪聲等都對(duì)提高系統(tǒng)的環(huán)保性能起到了直接的作用。
3.2分散式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)
此種海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的形式如圖3所示：所有的海水熱泵機(jī)組都分散至各用戶，室外管網(wǎng)系統(tǒng)只為各用戶機(jī)組提供所需的海水。
與集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的熱泵機(jī)組分散，容量相對(duì)較小，初投資會(huì)相應(yīng)增加，機(jī)組的COP值也會(huì)比集中放置的大型機(jī)組的略低，并且各用戶仍然要有冷熱源機(jī)房；但該系統(tǒng)中各用戶的熱泵機(jī)組相對(duì)獨(dú)立，增大了用戶的靈活性，如各用戶可根據(jù)自身的特定需要來(lái)調(diào)節(jié)熱泵的進(jìn)出水溫度的高低，或如稍后將提到的可用作水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的輔助冷熱源。
圖3分散式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖4帶冷卻塔的用戶與海水外網(wǎng)的連接
3.2.1冬季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
對(duì)于冬季只有熱負(fù)荷的建筑來(lái)說(shuō)，熱泵機(jī)組按制熱工況運(yùn)行；如果同一建筑內(nèi)既有熱負(fù)荷，又有冷負(fù)荷，可以考慮在建筑內(nèi)部采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，此時(shí)，海水熱泵機(jī)組只作為輔助的冷熱源設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部不平衡的冷、熱負(fù)荷。
3.2.2夏季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
（1）室外管網(wǎng)中的海水作為循環(huán)冷卻水，提供給各用戶的熱泵機(jī)組，以制備用戶自身需要的冷凍水，雖然此時(shí)用戶機(jī)組的COP值會(huì)比集中的大型機(jī)組的要略低，但仍然會(huì)比用戶使用冷卻塔時(shí)的COP值略高。
（2）各用戶仍然保留冷卻塔，外網(wǎng)內(nèi)的海水提供冷卻塔的冷卻循環(huán)水及其補(bǔ)水，如圖4所示。
盡管用戶仍然使用冷卻塔，但海水冷卻塔仍然節(jié)約了大量的淡水資源，而且只為冷卻塔服務(wù)的外網(wǎng)內(nèi)的海水流量要遠(yuǎn)比用海水直接冷卻熱泵機(jī)組時(shí)所需的水量少，因而可以最大限度地降低海水的輸送能耗。
3.3雙級(jí)耦合式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖5。此系統(tǒng)的突出特點(diǎn)就是既有集中熱泵站，又有分散至各用戶的熱泵機(jī)組，所以也可稱之為聯(lián)合式海水熱泵系統(tǒng)。很明顯，這樣設(shè)計(jì)會(huì)提高系統(tǒng)的初投資，但它有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)冬季海水的溫度過(guò)低（如北方寒冷地區(qū)的近海水溫度接近0℃）時(shí)，仍可以完全由此系統(tǒng)為各用戶供熱（詳見(jiàn)下述），而無(wú)需額外的輔助熱源（鑒于目前的熱泵技術(shù)，前面的兩種系統(tǒng)形式遇到此情形時(shí)，須有輔助熱源），真正實(shí)現(xiàn)單獨(dú)由海水熱泵為建筑提供冷熱源。
3.3.1冬季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
該系統(tǒng)冬季可能會(huì)有四種運(yùn)行模式：
（1）在海水溫度很低時(shí)（通常此時(shí)的室外氣溫也很低，用戶熱負(fù)荷較大），集中海水熱泵站內(nèi)的一級(jí)海水熱泵機(jī)組制備15~20℃的溫水，通過(guò)外網(wǎng)輸送至各用戶，然后每個(gè)用戶內(nèi)的二級(jí)熱泵機(jī)組再把水溫提升到用戶實(shí)際所需的溫度。
（2）當(dāng)海水溫度較高時(shí)，可由集中熱泵站一次制備各用戶可直接用于供熱的熱水，用戶內(nèi)的熱泵機(jī)組不工作，此時(shí)的工作模式與2.1節(jié)的集中海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式相同。
（3）當(dāng)海水溫度較高時(shí)，只有分散至各用戶的熱泵機(jī)組工作，向建筑供熱，而集中熱泵站內(nèi)的機(jī)組停止工作。此時(shí)的工作模式與2.2節(jié)的分散式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式相同。
（4）當(dāng)然，在海水溫度較高時(shí)，也可以使一、二級(jí)熱泵機(jī)組同時(shí)工作，外網(wǎng)內(nèi)的水溫會(huì)比15~20℃略高。
至于一、二級(jí)熱泵機(jī)組間的外網(wǎng)環(huán)路內(nèi)的水溫最佳取值范圍，兩級(jí)熱泵是串級(jí)工作，還是單級(jí)工作，以及它們之間的轉(zhuǎn)換條件，應(yīng)由更詳細(xì)的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。
3.3.2夏季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
除夏季一般只需單級(jí)熱泵制冷外，其余的運(yùn)行模式與上述冬季時(shí)的情況相類似，不再贅述。
4總結(jié)
本文針對(duì)利用海水作為冷熱源的熱泵供冷/熱系統(tǒng)，按照熱泵機(jī)組的設(shè)置地點(diǎn)不同，將其分成集中式、分散式和雙級(jí)耦合式三種類型，歸納總結(jié)了集中海水熱泵系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)各種類型系統(tǒng)在冬、夏季的可能運(yùn)行模式與特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述與分析。需要指出的是，三種類型的系統(tǒng)都有直接利用海水直接供冷的可能。
另外，本文只是討論各種類型的海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其可能的運(yùn)行模式，對(duì)于任一給定的具體實(shí)際工程，還要從系統(tǒng)能耗特性、經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)供冷/熱的可靠性等方面進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算與分析，才能得到最終滿意的結(jié)果，筆者將在這方面進(jìn)一步地開(kāi)展研究工作。
