摘要水環熱泵空調系統是回收建築餘熱的一種具有節能和環保意義的空調系統形式。本文是以水環熱泵空調系統能耗動態模擬結果為依據，歸納總結出描述建築特點的引數和空調系統能耗引數間的內在關係，以此來評價建築物採用水環熱泵空調系統是否節能問題。
關鍵詞水環熱泵節能評價引數法
0引言
水環熱泵空調系統是回收建築物內餘熱的系統，它的節能效果和環保效益是與氣象條件、建築特點及輔助熱源形式（電鍋爐、燃煤鍋爐等）等因素有關的。而我國地域遼闊，各地區氣象條件差異很大，各地實際建築形式與特點也各不相同。那麼，在什麼樣的場合選用水環熱泵空調系統才能收到最佳的效果和環保效益，這個問題始終是我們工程設計中先要明確的問題。
文獻[1]、[2]曾分析過這個問題，提出系統執行能耗的靜態分析法和計算機動態分析法。本文在此基礎上，以系統能耗動態模擬結果為依據，歸納總結出建築特點（建築物特徵引數）和水環熱泵空調系統能耗（能耗評價引數）間的內在關係，從而提出一種能耗評價方法，稱為引數評價法。
1建築物特徵引數
所謂的建築物特徵引數是指用來描述建築物內外區面積、建築物內部負荷、新風負荷等特徵的引數。本文提出
1．1建築物負荷特性引數r
引數r定義為：
對於新風單獨處理的水環熱泵空調系統：
（1）
對於水-水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統：
（2）
式中r----建築負荷特性引數，W/m2；
Ai----建築內區面積，m2；
Ap----建築外區面積，m2；
L----建築新風量，m3/h；
----建築內部負荷，W/m2；
ξ----折算係數，（m2·h）/m3新風負荷以ξ折算為與之相當的周邊區面積，
經試算，其值為0.2～0.27，通常取為0.24。
由此可見，建築負荷特性引數r的物理概念為建築物外區單位面積所分攤的建築內部熱量。R越大，表明建築物內的餘熱越多。
1．2建築負荷密度y
引數定義為：
（3）
式中----建築負荷密度，W/m2；
A----總面積，m2；
----建築周圍邊地區當量負荷W/m2，其值見表1。
區當量負荷W/m2，其值見表1。
地點哈爾濱北京上海廣州
(W/m2)50403010
1.3引數ra
ra的定義為（4）
式中各符號同式(1)。
引數ra體現了建築中新風負荷佔總負荷的比例。
2水環熱泵空調系統的能耗評價的比例
所謂的水環熱泵空調系統的能耗評價引數是指用來描述水環熱泵空調系統執行能耗的主要資訊。通過幾個引數就可對水環熱泵空調系統的能耗情況作出恰當的評價。
2.1水環熱泵空調系統的能耗評價公式
文獻[2]中給出
E1=N1/ηn+B1/ηh1
E2=N2/ηn+B2/ηh2（5）
式中：E1、E2----分為常規空調系統（風機盤管加新風）、水環熱泵空調系統一次能源的能耗，kWh；
N1、N2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統的電耗，kWh；
B1、B2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統的熱耗，kWh；
ηn----電能總效率，%
ηh1、ηh2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統用熱的總效率供（kW從熱量/kW一次能源），%
令E1=E2，可得
（6）
記k=B2/B1,b=(N2-N1)/B1,ηnh1=ηn/ηh1,ηnh2=ηn/ηh2。
式中，ηnh為電熱效率比，則式（6）可寫為：
ηnh1=kηnh2+b（6a）
稱式（6a）為水環熱泵空調系統能耗評價公式。由此可見，當ηnh1>kηnh2+b時，則E1>E2，水環熱泵空調系統能耗比常規空調系統少；反之，水環熱泵空調系統能耗多。
由式（6a）可見，ηnh1與ηnh2呈線性關係，如圖1所示，則線上方區域的水環熱泵空調系統節能區，線下方為非節能區。當常規空調系統熱電效率比ηnh1＜b時，水環熱泵空調系統無論採用何種輔助熱源方式，都是不能的。
圖1水環熱泵空調系統能耗評價區
b是直線的截矩，k是斜率，我們可以把k和b視為二個能耗評價引數。除此之外，還提出了第三個引數c。
當兩種空調系統採用相同的'熱源形式時，ηh1=ηh2，即ηnh1=ηnh2,則由式（6）可得：
（7）
令c=(N2-N1)/(B1-B2)（7a）
(c,c)為能耗評價線上的一個特徵點（見圖1），c點表明兩種空調系統採用相同熱源形式時，電耗差值與熱耗差值之比。
引數c的意義為：當水環熱泵空調系統輔助熱源形式與常規空調系統相同時（ηh1=ηh1=ηh），若其電熱效率比ηnh>c，則有Ｅ2＜Ｅ1，反之，當ηnh＜c，則有E2＞E1。
由式(6a)易得：
b=c·(1-k)（8）
但應注意，影響電耗差值大小的因素主要是：一是執行工況不同，引起兩種空調系統電耗不同，二是水泵的控制方式不
同，使兩種空調系統電耗差異很大。為此，將c值作如下處理：
式中P1、P2--分別常規空調系統和水環熱泵空調系統中水泵的電耗，kWh。
（9）
（10）
2.2空調系統電熱能耗比
為了能對兩種空調系統得出能耗相差多少，而提出第4個評價引數eb。由式（5）、（6a）可得出兩系統能耗比為：
（11）
記eb=N1/B,η0=ηnh2+b，則
（11a）
式中：η0----與水環熱泵系統能耗相同時，常規空調系統應有的電熱效率比；
eb----常規空調系統電、熱能耗之比：
其餘符號同前。
通過上述分析，欲對水環熱泵空調系統作出能耗評價，可通過四個評價引數k,b,c(或c′)，eb作出評價。因此，如何求得四個評價引數是解決問題的關鍵。
3建築負荷特徵引數與水環熱泵空調系統能耗評價引數之間的關係
研究此問題的目的就是找到如何由建築負荷特徵引數求得水環熱泵空調系統能耗評價引數。
3．1r～1/c′曲線的繪製
對於某一建築，由式（1）、（2）可直接得出建築負荷特性引數r。而利用空調系統能耗模擬程式，分別模擬出建築物使用水環熱泵空調系統和風機盤管空調系統的能耗情況[2]，再由公式（9）可得c′值。選取30種不同形式（規模、內部負荷不同）的建築物進行模擬計算[3]，對上海地區採用新風獨立處理的水環熱泵空調系統的模擬結果繪於圖2上。
由圖2可見，隨著r的增大，建築中的負荷成分不斷變化，由余熱不足到餘熱過剩，c′值也先減小後增加，而其中處於峰值點的建築便是最適於使用於水環熱泵空調系統建築。
圖2上海地區採用新風獨立處理的水環熱泵的空調系統r～1/c′的相應關係
在常規空調系統與水環熱泵空調熱源形式相同的前提下，若忽略泵耗能的差異，僅通過r～1/c′圖就可以評價不同建築採用水環熱泵空調系統的能耗情況。
例如在熱源為燃煤鍋爐，條件下，在圖2中作r/c′=1/0.386=2.6的基準線，則滿足r=15～45W/m2的建築，其1/c′值位於其基準線上方，這就是說在上海，新風獨立處理的水環熱泵空調系統在這類建築中使用才是節能
的。
按上述方法，同樣繪製出新風獨立處理的水環熱泵空調系統和水/水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統在哈爾濱、北京、上海、廣州等地的r～1/c′圖，如圖3（a）、（b）。
圖3四個城市中r～1/c′曲線
(a)新風單獨處理的水源熱泵系統(HPFC)；（b）水－水熱泵處理新風的水源熱泵系統(WSHP)
1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州
3．2～pr曲線
圖4（a）～4（b）分別給出新風獨立處理的水環熱泵空調系統和水/水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統在我國四個城市的～pr曲線圖。
圖4～pr曲線
(a)新風單獨處理的水源熱砂系統(HPFC);(b)水-水熱泵處理新風的水源熱泵系統(WSHP)
3．3能耗評價引數k與建築負荷特性引數r的關係
通過同上的模擬計算方式，將k的模擬結果與r的關係歸結為k～r曲線。對於水-水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統，k～r的對應規律較好。由圖5可見，隨著r的增大，建築物內餘熱的增多，引數k趨近於0，即系統的鍋爐能耗趨於0。不難看出，如在上海，當其建築負荷特性引數達到30W/m2時，其系統可不設輔助加熱系統。
圖5水－水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統k～r曲線
1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州
對於新風獨立處理的水環熱泵空調系統，由於其新風獨立處理，因而其總供熱能耗中包括兩種性質的能耗。承擔房間負荷的水環熱泵系統部分的供熱能耗特性與反映建築餘熱量的建築負荷引數r有一定的關係，而新風部分的供熱能耗與反映新風負荷佔總熱負荷比例的引數kL有關。為此處理如下：
（12）
式中：B2r----用於房間供熱的熱源能耗；
BL----用於新風的熱源能耗；
kr----kr=B2r/B1；
kL----kL=BL/B1。
新風獨立處理的水環熱泵空調系統在四個城市中的kr～r，kL～ra的關係示於圖6和圖7上。當求得c、k後，可由式（8）計算出b引數。
圖6新風獨立處理時水環熱泵空調系統kr～r關係圖圖7新風獨立處理時水環熱泵空調系統kL～ra關係圖
1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州
3．4eb與r的關係
引數eb是常規空調系統的電熱能耗比，eb與r的關係示於圖8（a）、(b)上。計算中應注意，這裡的引數r值應由公式
（2）計算得出。
圖8四城市中的關係圖
1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州
4引數評價法的評價步驟
4．1取得建築物的基本引數：建築地區、周邊區面積Ap、內區面積Ai、新風量L及建築內部負荷。
4．2計算建築負荷特性引數：根據式（1）、（2）、（3）、（4）計算出r、、ra三個負荷特性引數。
4．3根據由模擬結果繪製出的圖，查得有關引數。
（1）引數c
由引數r查圖3得c′，由引數查圖4得pr，則可求得c=c′·pr。
（2）引數k
對於水--水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統，由引數r查圖5得k值；對於新風獨立處理的水環熱泵空調系統，由引數r查圖6得kr，由引數ra查圖7得kL，則可求k=kr+kL。
（3）引數b
b-c·(1-k)
（4）引數eb
由引數r（由公式（2）求出）查圖8可得eb能耗評價曲線；由式（11）亦可算出水環熱泵空調系統與常規系統的執行能耗比。
5算例
北京某建築，標準層面積2800m2，長×寬=40m×70m內部負荷40W/m2，新風負荷30m3/（人·h），人員密度0.1人/m2。
取周邊區寬5.4m，則外區面積為Ap=（40+70）×2×5.4-5.4m2×4=1071.36m2；
內區面積為Ai=40×70-1071.36=1728.64m2；
新風量L=0.1×30×2800=8400m3/h。
於是，將計算結果列入表2和表3中。根據表中的資料可作出兩個系統的能耗評價曲線，見圖9。
圖9水環熱泵空調系統能耗評價圖
新風單獨處理的水環熱泵空調系統（HPFC）能耗評價計算表2初始條件地點
北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072SI(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(/Wm2)
40
建築負荷特性引數
64.53400.653
中間引數（查圖得出）c′krPrkL
1/
能耗評價引數c=c′×PrK=kr+kLb=c×（1-k）eb
見下表
水－水熱泵處理新風的水源熱泵空調系統（WSHP）能耗評價計算表表3
初始條件地點北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072Si(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(W/m2)
40
建築負荷特性引數
22.3940
中間引數（查圖得出）c′kebPr
1/
能耗評價引數c=c′×Prkb=c×（1-k）eb
0.3740.210.2920.4
表4中給出六種空調方案，對於每種水環熱泵空調系統方案，總有一個ηnh1值使常規空調系統與之相等。利用能耗評價曲線，可以將每種水環熱泵空調系統方案折成與之能耗相當的常規系統方案（ηh1軸上）。則易得出：六個空調方案能耗由少到多，依次為6、2、4、5、3、1。
六種空調方案表4
方案編號空調系統形式熱源形式
1風機盤管系統電鍋爐ηnh=1
2風機盤管系統燃煤鍋爐ηnh=0.386
3新風單獨處理的水環熱泵系統（HPFC）電鍋爐ηnh=1
4新風單獨處理的水環熱泵系統（HPFC）燃煤鍋爐ηnh=0.386
5水源熱泵，水-水熱泵處理新風（WSHP）電鍋爐ηnh=1
6水源熱泵，水-水熱泵處理新風（WSHP）燃煤鍋爐ηnh=0.386
利用公式（11a），可以進一步得出幾種空調方案的能耗比。計算結果列入表5中。
六個空調方案執行能耗比較表5
方案基準方案：1
ηnh=1eb=0.4執行能耗：1.0
ηnh=1kbη0=kηnh2+b相對能耗
2///0.3860.56
0.592
510.210.2920.5020.644
60.3860.210.2920.3730.552
6結束語
水環熱泵空調系統是回收建築物內餘熱的系統。設計時，應先判斷該方案是否節能。為此，提出一種執行能耗的引數評價法，在工程設計中，是有實際應用價值的。
參考文獻
1馬最良，曹源，閉式環路水源熱泵空調系統能耗的靜態分析，哈爾濱建築大學學報，1997（6）：68
2馬最良，曹源，閉式環路水源熱泵空調系統能耗的計算機模擬分析，哈爾濱建築大學學報，1998（3）：57
3曹源，閉式環路水源熱泵空調系統執行能耗分析及其在我國應用的評價：[碩士學位論文]。哈爾濱建築大學圖書館，1996年。