1引言

目前，能源問題已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。我國是能源消費(fèi)大國，建筑能源消費(fèi)占全國總能源消費(fèi)的約四分之一，因此節(jié)能和可再生能源的利用成為研究的重點(diǎn)。我國海岸線較長，部分沿海城市已開始計(jì)劃利用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為建筑提供冷熱源，節(jié)約能源，減少污染，為生態(tài)城市建設(shè)服務(wù)。本文主要討論海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的具體應(yīng)用形式和特點(diǎn)，旨在為相關(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)。海水中包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)也是可再生能源的利用方式，是節(jié)能環(huán)保的綠色供熱空調(diào)系統(tǒng)。

巨大的海面經(jīng)常受到太陽的輻射，受大洋環(huán)流、海域周圍具體氣候條件的影響，海水溫度的數(shù)值因地而異。為了盡量提高海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供熱/冷卻效率，以及整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，需要研究在不同的海水資源條件下，為了滿足熱用戶的需求，可以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

本文討論的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指可以同時(shí)為多個(gè)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。這里只討論根據(jù)海水熱泵單元的設(shè)置場所進(jìn)行的分類，可以分為

3.1集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)

集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指將所有海水熱泵單元集中設(shè)置在統(tǒng)一的熱泵室內(nèi)(熱泵室可以根據(jù)需要設(shè)置在海邊或用戶區(qū)域附近)，制備的冷/熱水通過小區(qū)外網(wǎng)輸送給各用戶，如圖1所示，也可以稱為海水熱泵集中供冷系統(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)絡(luò)回水直接加熱到用戶需要的溫度后(60/50℃的回水溫度等)，依次輸送給各熱用戶，用戶與外部網(wǎng)絡(luò)采用無混合裝置的直接連接方式。

(2)集中熱泵站將網(wǎng)絡(luò)供水加熱到比用戶實(shí)際需要的供水溫度稍高后輸出(65/50℃的供水溫度等)，用戶和網(wǎng)絡(luò)可以采用混合泵的直接連接方式(如圖2所示)。與以前的方式相比，由于網(wǎng)絡(luò)供水溫度稍高，熱泵單元的COP值稍低，但此時(shí)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)泵不需要考慮最不利環(huán)路的末端用戶的阻力損失，揚(yáng)程下降的同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)供水溫差的增大，輸送相同能量的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)水量減少，節(jié)約泵的輸送能源另一個(gè)值得注意的是，這種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式還允許用戶根據(jù)自己的需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整自己的供水溫度，比以前的方式。

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)際需要的冷凍水(例如7/12℃的冷凍水)后，依次輸送給各用戶，用戶與外部網(wǎng)采用無混合裝置的直接連接方式。

(2)集中熱泵站制作比用戶實(shí)際需要的稍低的冷凍水(例如5/12℃的冷凍水)，輸送給各用戶，同樣，用戶和網(wǎng)絡(luò)可以采用混合泵的直接連接方式。該運(yùn)行方式所具有的特點(diǎn)與前冬相應(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)優(yōu)勢(shì)分析

與目前通常采用的各建筑物單獨(dú)設(shè)置電冷凍機(jī)組的冷凍和鍋爐室的熱水供暖方式相比，該系統(tǒng)主要具有

(1)可以充分利用各用戶的負(fù)荷分布多樣性的特征(也就是說，并非所有用戶同時(shí)達(dá)到峰值負(fù)荷)，減少設(shè)備的總裝機(jī)容量，降低自己的初始投資

（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[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[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)的冷熱源室和室外冷卻塔可以取消，節(jié)約了許多寶貴的建筑面積，增加了業(yè)主的收益，減輕了設(shè)備配置給結(jié)構(gòu)專業(yè)帶來的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，減少了結(jié)構(gòu)施工成本，同時(shí)消除了這些設(shè)備產(chǎn)生的噪音

(5)大量使用海水，可節(jié)約有限的淡水資源。淡水資源的缺乏是一個(gè)全球性的難題，我國很多沿海城市嚴(yán)重缺乏淡水城市，節(jié)約淡水資源意義重大。

(6)熱泵單元集中配置后，有助于專家集中管理和維護(hù)，節(jié)約運(yùn)行成本，提高供冷/熱的可靠性。

3.2分散式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)

該海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式如圖3所示:所有海水熱泵單元分散給各用戶，室外管網(wǎng)系統(tǒng)只為各用戶單元提供必要的海水。

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，初始投資相應(yīng)增加，機(jī)組的COP值也略低于集中放置的大型機(jī)組，各用戶還需要冷熱源機(jī)房，但該系統(tǒng)中各用戶的熱泵機(jī)組相對(duì)獨(dú)立，提高了用戶的靈活性

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)荷的建筑物，熱泵單元根據(jù)供暖狀況運(yùn)行的同一建筑物內(nèi)有熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的情況下，在建筑物內(nèi)部采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能

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單元，制作用戶自己需要的冷凍水，此時(shí)用戶單元的COP值略低于集中的大型單元，但仍略高于用戶使用冷卻塔時(shí)的COP值。

(2)各用戶仍保留冷卻塔，外網(wǎng)內(nèi)海水提供冷卻塔的冷卻循環(huán)水及其補(bǔ)水，如圖4所示。

盡管用戶仍在使用冷卻塔，但海水冷卻塔仍然節(jié)省了大量的淡水資源，僅為冷卻塔服務(wù)的外網(wǎng)內(nèi)海水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海水直接冷卻熱泵單元所需的水量，因此海水的運(yùn)輸能源消耗最大限度。

3.3雙聯(lián)結(jié)式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的示意圖見圖5。該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是既有集中熱泵站，又有分散給各用戶的熱泵單元，因此也稱為聯(lián)合式海水熱泵系統(tǒng)。顯然，這種設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的初始投資，但冬季海水溫度過低(北方寒冷地區(qū)近海水溫度接近0℃)時(shí)，系統(tǒng)可以完全為各用戶供熱(詳情請(qǐng)參照以下)，不需要追加輔助熱源(現(xiàn)在的熱泵技術(shù)

3.3.1冬季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

該系統(tǒng)冬季可能有

(1)海水溫度低時(shí)(通常此時(shí)室外氣溫也低，用戶熱負(fù)荷大)，集中海水熱泵站內(nèi)一級(jí)海水熱泵單元制備15~20℃的溫水，通過外部網(wǎng)絡(luò)輸送給各用戶

(2)海水溫度高時(shí)，集中熱泵站可一次制備各用戶可供熱的熱水，用戶內(nèi)熱泵單元不工作，此時(shí)的工作模式與2.1節(jié)集中海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式相同。

(3)海水溫度高時(shí)，只能分散到各用戶的熱泵單元，向建筑供熱，集中熱泵站內(nèi)的單元停止工作。此時(shí)的工作模式與2.2節(jié)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，海水溫度高時(shí)，一、二級(jí)熱泵單元也可同時(shí)工作，外網(wǎng)內(nèi)的水溫略高于15~20℃。

關(guān)于一、二級(jí)熱泵機(jī)組之間外網(wǎng)環(huán)路內(nèi)水溫的最佳取值范圍，二級(jí)熱泵是串行工作還是單行工作，以及其間的轉(zhuǎn)換條件，必須通過更詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定。

3.3.2夏季系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

除夏季一般單級(jí)熱泵冷卻外，其馀運(yùn)行模式與上述冬季情況相似，不予重復(fù)。

4小結(jié)

本文針對(duì)利用海水作為冷熱源的熱泵供冷/熱系統(tǒng)，根據(jù)熱泵機(jī)組的設(shè)置場所不同，分為集中式、分散式和雙耦合式三種類型，總結(jié)了集中式海水熱泵系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種類型系統(tǒng)在冬的可能運(yùn)行模式和特點(diǎn)進(jìn)行了簡單的說明和分析。需要指出的是，三種系統(tǒng)可能直接利用海水直接供冷。

此外，本文只討論了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)任意給定的具體實(shí)際工程，從系統(tǒng)能源消耗特性、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)供冷/熱的可靠性等方面進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算和分析，最終得到滿意的結(jié)果