引言
因?yàn)樗礋岜霉┡到y(tǒng)能夠?qū)⑼ǔＧ闆r下不能被直接利用的低位熱能從水源（如地下水，湖水，海水，城市污水或工業(yè)廢水等等）中取出，提升后并加以利用，具有良好的節(jié)能環(huán)保特性，故近年來在國內(nèi)的研究及應(yīng)用愈來愈多。本文擬針對(duì)利用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖時(shí)，其供水溫度的選擇問題進(jìn)行分析討論，以便使該系統(tǒng)的優(yōu)越性得到最大限度的發(fā)揮。
供水溫度對(duì)水源熱泵機(jī)組運(yùn)行的影響
在冬季供暖工況下，如果水源熱泵低溫?zé)嵩磦?cè)的進(jìn)出口水溫不變，則水源熱泵的供水溫度越高，其制熱性能系數(shù)（COP值）就越低，提供相同的熱量所需的運(yùn)行費(fèi)用就會(huì)越高。以某一廠家HP—4000型機(jī)組為例，通過對(duì)廠家測試數(shù)據(jù)的回歸分析，我們可以得到如下的COP值關(guān)系式：
COP=38.136Δt-0.633（1）
其中，Δt=熱泵機(jī)組采暖用熱水側(cè)水的平均溫度－熱泵機(jī)組低溫水源側(cè)水的平均溫度，即：
Δt=(th,i+th,o)/2－(tc,i+tc,o)/2
th,i——熱泵機(jī)組供暖用熱水的回水溫度，℃；
th,o——熱泵機(jī)組供暖用熱水的供水溫度，℃；
tc,i——熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩磦?cè)的進(jìn)水溫度，℃，這里取10℃；
tc,o——熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩磦?cè)的出水溫度，℃，這里取5℃；
由回歸關(guān)系式（1）可以得到在低溫?zé)嵩磦?cè)水的進(jìn)、出口溫度不變的情況下，不同的采暖供、回水溫度時(shí)，水源熱泵機(jī)組的COP值，見表1。
從表1中看到，當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩磦?cè)水的進(jìn)、出口溫度不變時(shí)，熱泵機(jī)組的供水溫度和供、回水溫度的差值對(duì)機(jī)組的COP值都有影響，但供水溫度的影響更大一些，這也說明熱泵供水溫度的選擇更加重要。
表1. 不同采暖供、回水溫度下水源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)（COP值）
供、回水溫度（℃）
COP值
COP的變化百分比
供、回水溫度（℃）
COP值
COP的變化百分比
60/55
3.21
72.5%
60/50
3.31
78.4%
55/50
3.43
77.4%
55/45
3.55
84.3%
50/45
3.69
83.3%
50/40
3.85
91.4%
45/40
4.02
90.7%
45/35
4.21
100%
40/35
4.43
100%
合理的熱泵供水溫度的選擇
通過上面的計(jì)算與分析可知，利用水源熱泵機(jī)組進(jìn)行冬季供暖時(shí)，供水溫度越低，機(jī)組的COP值越大，經(jīng)濟(jì)性越好，但供水溫度也不能過低，否則將導(dǎo)致末端散熱設(shè)備過大或無法滿足散熱設(shè)備對(duì)供水溫度的內(nèi)在要求。顯然，合理的供水溫度應(yīng)該是既能滿足用戶的用熱需求，同時(shí)又有最佳的經(jīng)濟(jì)性。下面將結(jié)合兩種典型的、經(jīng)常與水源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的采暖方式，分別加以討論。
2.1 采用全空氣處理機(jī)進(jìn)行采暖與空調(diào)的建筑
這里以大連市某一工程為例來討論。大連地區(qū)的建筑物，其夏季的冷負(fù)荷指標(biāo)通常都大于冬季的熱負(fù)荷指標(biāo)，本工程也不例外，冷、熱負(fù)荷指標(biāo)分別為150w/m2和100w/m2。由于單位面積的冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，故在選擇空氣處理機(jī)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)夏季的冷負(fù)荷來進(jìn)行。現(xiàn)以一臺(tái)額定處理風(fēng)量為10000m3/h的空氣處理機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算：
該機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下的額定制冷量為70kw，我們按150w/m2的冷負(fù)荷指標(biāo)選定一個(gè)該空氣處理機(jī)剛好能夠承擔(dān)的基本空調(diào)單元，其面積為M，則M=70×103/150=467（m2）；而該空調(diào)單元上的熱負(fù)荷為Qh=100×467=46.7(kw)，當(dāng)該空氣處理機(jī)的處理風(fēng)量為10000m3/h，空氣進(jìn)口溫度為20℃時(shí)，其在不同的供、回水溫度下的制熱量見下表2：
表2. 空氣處理機(jī)在不同供、回水溫度下的制熱量
供、回水溫度（℃）
制熱量（kw）
制熱量的變化百分比
供、回水溫度（℃）
制熱量（kw）
制熱量的變化百分比
60/55
113.53
192%
60/50
104.79
161%
55/50
99.97
169%
55/45
91.39
141%
50/45
86.52
146%
50/40
70.13
108%
45/40
72.88
123%
45/35
65.0
100%
40/35
59.21
100%
根據(jù)表2，即使供水溫度為40℃，空氣處理機(jī)的制熱量也滿足了室內(nèi)熱負(fù)荷（46.7kw）的需要，但是，對(duì)于全空氣系統(tǒng)來講，冬季室外新風(fēng)的熱負(fù)荷也應(yīng)該由空氣處理機(jī)來承擔(dān)，對(duì)于一般的舒適性空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)量經(jīng)常占總送風(fēng)量的10~20%，這里應(yīng)按不利的情況來考慮，即新風(fēng)百分比為20%，此時(shí)由新風(fēng)所帶來的熱負(fù)荷（大連地區(qū)冬季空調(diào)室外空氣計(jì)算溫度為－14℃，相對(duì)濕度58%，室內(nèi)空氣溫度取為20℃，相對(duì)濕度60%）為：
Qo=cp·ρ·V·Δt=1.01×1.2×10000×20%×(20+14)/3600=22.9(kw)
故空氣處理機(jī)實(shí)際應(yīng)承擔(dān)的熱負(fù)荷為Qh+Qo =46.7+22.9=69.6(kw)。從表2中可知，空氣處理機(jī)的供水溫度至少應(yīng)為45℃，另外，通過對(duì)水源熱泵經(jīng)濟(jì)性的模擬分析[1]，我們也得出了供水溫度越低，經(jīng)濟(jì)性越好的結(jié)論，但45℃是否就是經(jīng)濟(jì)合理的選擇呢？我們認(rèn)為還應(yīng)校核空氣處理機(jī)的出風(fēng)（或送風(fēng)）溫度，即為避免可能出現(xiàn)的冷吹風(fēng)感，送風(fēng)溫度最好還要高于人體的平均皮膚溫度。根據(jù)Rohlesh Nevins的關(guān)于人體平均皮膚溫度tsk的實(shí)驗(yàn)回歸公式[2]：
tsk=35.7-0.0275（M－W）（2）
式中：M—成年男子的代謝率，W/m2；
W—人體所做的機(jī)械功，W/m2。
根據(jù)該工程的實(shí)際情況，M值按辦公室工作選擇為70 W/m2（[3]），此時(shí)人體所做的機(jī)械功近似為0，即W=0，故得到 tsk=33.8℃。下面再來計(jì)算當(dāng)熱泵的供、回水溫度為45/40℃時(shí)，室內(nèi)、外的混合空氣經(jīng)空氣處理機(jī)加熱后的送風(fēng)溫度：
首先根據(jù)空氣處理機(jī)的制熱量Q，算出混合空氣被加熱后的溫升：Δt= Q/（cp·ρ·V）=72.88/（1.01×1.2×10000/3600）=21.6（℃）；然后，根據(jù)前面提到的室內(nèi)、外的空氣狀態(tài)參數(shù)（分別為20℃，60%和－14℃，58%）及新風(fēng)百分比20%，在濕空氣的焓－濕圖上查出混合風(fēng)的狀態(tài)點(diǎn)為：tm=13.2℃，φm =76%；最后，我們得到經(jīng)空氣處理機(jī)加熱后的送風(fēng)溫度為ts= tm +Δt= 13.2+21.6=34.8℃> tsk=33.8℃。應(yīng)該指出，我們前面已經(jīng)提到空氣處理機(jī)的制熱量是在空氣進(jìn)口溫度為20℃情況下得到的，而這里實(shí)際的空氣進(jìn)口溫度為13.2℃，故空氣處理機(jī)的實(shí)際制熱量會(huì)略有升高，正好可作為一定的富裕量。
因此，根據(jù)夏季的冷負(fù)荷而選用的空氣處理機(jī)，在冬季當(dāng)供、回水溫度為45/40℃時(shí)，仍能夠滿足熱負(fù)荷及送風(fēng)溫度的要求，也就是說，對(duì)于末端設(shè)備采用全空氣處理機(jī)的采暖空調(diào)建筑而言，45/40℃的熱泵供、回水溫度的確是經(jīng)濟(jì)而合理的選擇。
2.2 采用低溫地板輻射采暖的建筑
對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的建筑來說，供、回水溫度的選擇既要滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的要求，又不能使地表面的溫度過高[4]，也就是說在滿足熱負(fù)荷的前提下，供、回水的溫度盡可能的低。因此，我們的主要目的就是選擇一個(gè)能夠滿足熱負(fù)荷要求的最低供水溫度。由于輻射采暖的特性，室內(nèi)空氣溫度可以比采用散熱器等對(duì)流采暖的房間溫度低1~3℃[3]，而仍然能達(dá)到相同的舒適度。對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的住宅，室內(nèi)溫度按18℃計(jì)算，同樣可達(dá)到《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50096—1999）規(guī)定的20~22℃的采暖效果。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算與分析，將不同的供、回水溫度在各種管間距下的散熱量整理成表3。
由于現(xiàn)在住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)必須滿足《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JGJ26—95），這樣，住宅的平均采暖熱負(fù)荷指標(biāo)還不到50W/m2，如果按30%來考慮室內(nèi)家具的覆蓋率，則實(shí)際地板散熱指標(biāo)應(yīng)為50/（1－30%）=71.4 W/m2。從表3中看到，供、回水溫度為45/35℃或45/40℃時(shí)，只要選取適當(dāng)?shù)墓荛g距，都可以滿足要求，并有一定的裕量。
當(dāng)采暖建筑為其它公用建筑時(shí)，一般的熱負(fù)荷指標(biāo)也都在100 W/m2以內(nèi)，而且室內(nèi)溫度也可降至16℃，因而單位地板面積的散熱量也會(huì)增加，具體數(shù)值參見文獻(xiàn)[5]，45℃的供水溫度同樣可以滿足要求。
表3. 地板輻射采暖的散熱量
熱水供、回水溫度（℃）
輻射板散熱量（W/m2）
管間距（mm）
輻射板構(gòu)造
45－35
板上
板下
由上向下各層：
①木地板面層
δ=20，λ=0.23
②水泥砂漿找平層
δ=30，λ=0.93
③埋管層
δ=60，λ=1.51
④保溫層
δ=30，λ=0.034
⑤樓板層
δ=120，λ=1.74
（δ單位：mm；
λ單位：W/(m·℃)）
100.64
28.13
100
91.49
25.57
150
83.97
21.09
200
76.76
18.35
250
45－40
113.00
30.22
100
102.73
27.47
150
94.26
22.81
200
86.21
19.94
250
50－40
125.36
32.30
100
113.96
29.36
150
104.55
24.52
200
95.66
21.53
250
55－45
150.30
43.89
100
136.64
39.90
150
125.23
27.97
200
108.54
26.67
250
結(jié)論與建議
3.1 結(jié)論
通過本文的計(jì)算與分析,可得到如下結(jié)論:
（1）對(duì)于位于象大連這樣寒冷地區(qū)的建筑，如果采用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年的空調(diào)和采暖，當(dāng)末端設(shè)備采用全空氣處理機(jī)時(shí)，冬季時(shí)熱泵的供、回水溫度最好選為45/40℃，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果；
（2）對(duì)于采用低溫地板輻射采暖的建筑，熱水供、回水溫度為45/40℃或45/35℃時(shí)，一般都可以滿足供暖要求。也就是說，對(duì)于采用水源熱泵機(jī)組供暖的建筑，采暖熱水的供水溫度為45℃時(shí)，既能滿足冬季供暖要求，又能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
3.2 建議
（1）由于水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能與環(huán)保的特點(diǎn)[1]，故對(duì)于附近有低溫水源地區(qū)的建筑，若其全年需要空調(diào)與采暖，建議優(yōu)先考慮水源熱泵系統(tǒng)作為該建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源；
（2）嚴(yán)寒地區(qū)，如采用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行采暖與空調(diào)，其冬季的供水溫度可參照本文中的方法進(jìn)行校核，選取能夠滿足建筑采暖要求的，并盡可能低的供水溫度作為供暖設(shè)計(jì)供水溫度。
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