1 引言

目前，能源問題已成為舉世關注的焦點。我國是能源消費大國，建筑能耗占到全國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。我國海岸線較長，一些沿海城市已開始計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，服務于生態(tài)城市的建設。本文將主要針對海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的具體應用形式及特點進行討論，旨在為有關工程的具體實施方案和運行管理提供參考。

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)。

巨大的海面時刻接受太陽的輻射，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)值會因地、因時而異。為盡量提高海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供熱/冷的效率以及整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性，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)可以從多個角度進行分類，這里只討論按海水熱泵機組的設置地點不同而進行的分類，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組集中起來設置于統(tǒng)一的熱泵機房內(nèi)（熱泵機房根據(jù)需要可設置于海邊或用戶區(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組的COP值略低，但此時網(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，揚程有所下降；同時，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)流而帶來的能量損耗。還有一點值得注意的是，此種網(wǎng)路運行方式，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)運行模式分析

（1）集中熱泵站直接制備各用戶夏季實際所需的冷凍水（如7/12℃的冷凍水）后，依次輸送給各用戶，用戶與外網(wǎng)采用無混合裝置的直接連接方式。

（2）集中熱泵站制備比用戶實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。此種運行方式所具有的特點與前面冬季時對應的情況相同，不再重復。

3.1.3 集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

與目前通常采用的各建筑單獨設置電制冷機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：

（1）可以充分利用各用戶負荷分布多樣性特點（即并非所有的用戶都在同一時刻達到峰值負荷），減少設備的總裝機容量，也有利于降低自身的初投資。

（2）大型熱泵機組的COP值比小型機組的要高（一些具體數(shù)值可參見[1]），提高了能量利用效率。

（3）雖然熱泵機組通常仍需要用電實現(xiàn)制冷/熱，但由于它在一年的大部分時間里都在較高的COP值下運行，仍然具有節(jié)能優(yōu)勢（類似的計算分析參見[2]），這也是海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)之所以受到關注的一個重要原因。

（4）各用戶內(nèi)的冷熱源機房，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，又可以減輕由設備的布置而給結構專業(yè)帶來的設計負擔，和降低結構施工的成本；同時，也消除了由這些設備所產(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，我國許多沿海城市都是嚴重缺淡水城市，節(jié)約淡水資源的意義重大。

（6）熱泵機組集中布置后，有助于專業(yè)人員的集中管理與維護，既節(jié)約了運行成本，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：所有的海水熱泵機組都分散至各用戶，室外管網(wǎng)系統(tǒng)只為各用戶機組提供所需的海水。

與集中式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的熱泵機組分散，容量相對較小，初投資會相應增加，機組的COP值也會比集中放置的大型機組的略低，并且各用戶仍然要有冷熱源機房；但該系統(tǒng)中各用戶的熱泵機組相對獨立，增大了用戶的靈活性，如各用戶可根據(jù)自身的特定需要來調(diào)節(jié)熱泵的進出水溫度的高低，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。
 

3.2.1 冬季系統(tǒng)運行模式分析

對于冬季只有熱負荷的建筑來說，熱泵機組按制熱工況運行；如果同一建筑內(nèi)既有熱負荷，又有冷負荷，可以考慮在建筑內(nèi)部采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)以實現(xiàn)節(jié)能，此時，海水熱泵機組只作為輔助的冷熱源設備來調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部不平衡的冷、熱負荷。

3.2.2 夏季系統(tǒng)運行模式分析

（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組，以制備用戶自身需要的冷凍水，雖然此時用戶機組的COP值會比集中的大型機組的要略低，但仍然會比用戶使用冷卻塔時的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的外網(wǎng)內(nèi)的海水流量要遠比用海水直接冷卻熱泵機組時所需的水量少，因而可以最大限度地降低海水的輸送能耗。

3.3 雙級耦合式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的示意圖見圖5。此系統(tǒng)的突出特點就是既有集中熱泵站，又有分散至各用戶的熱泵機組，所以也可稱之為聯(lián)合式海水熱泵系統(tǒng)。很明顯，這樣設計會提高系統(tǒng)的初投資，但它有一個最大的優(yōu)點：當冬季海水的溫度過低（如北方寒冷地區(qū)的近海水溫度接近0℃）時，仍可以完全由此系統(tǒng)為各用戶供熱（詳見下述），而無需額外的輔助熱源（鑒于目前的熱泵技術，前面的兩種系統(tǒng)形式遇到此情形時，須有輔助熱源），真正實現(xiàn)單獨由海水熱泵為建筑提供冷熱源。

3.3.1 冬季系統(tǒng)運行模式分析

該系統(tǒng)冬季可能會有四種運行模式：

（1）在海水溫度很低時（通常此時的室外氣溫也很低，用戶熱負荷較大），集中海水熱泵站內(nèi)的一級海水熱泵機組制備15~20℃的溫水，通過外網(wǎng)輸送至各用戶，然后每個用戶內(nèi)的二級熱泵機組再把水溫提升到用戶實際所需的溫度。

（2）當海水溫度較高時，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)的熱泵機組不工作，此時的工作模式與2.1節(jié)的集中海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行模式相同。

（3）當海水溫度較高時，只有分散至各用戶的熱泵機組工作，向建筑供熱，而集中熱泵站內(nèi)的機組停止工作。此時的工作模式與2.2節(jié)的分散式海水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行模式相同。

（4）當然，在海水溫度較高時，也可以使一、二級熱泵機組同時工作，外網(wǎng)內(nèi)的水溫會比15~20℃略高。

至于一、二級熱泵機組間的外網(wǎng)環(huán)路內(nèi)的水溫最佳取值范圍，兩級熱泵是串級工作，還是單級工作，以及它們之間的轉(zhuǎn)換條件，應由更詳細的理論分析與實驗驗證來確定。

3.3.2 夏季系統(tǒng)運行模式分析

除夏季一般只需單級熱泵制冷外，其余的運行模式與上述冬季時的情況相類似，不再贅述。

4 總結

本文針對利用海水作為冷熱源的熱泵供冷/熱系統(tǒng)，按照熱泵機組的設置地點不同，將其分成集中式、分散式和雙級耦合式三種類型，歸納總結了集中海水熱泵系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，并對各種類型系統(tǒng)在冬、夏季的可能運行模式與特點進行了簡要描述與分析。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)及其可能的運行模式，對于任一給定的具體實際工程，還要從系統(tǒng)能耗特性、經(jīng)濟性以及系統(tǒng)供冷/熱的可靠性等方面進行更詳細的計算與分析，才能得到最終滿意的結果，筆者將在這方面進一步地開展研究工作。