能源是人类生存与社会发展的基本动力，其应用技术则可作为一种动态指标评估生产力的发展现状。因此，在某种程度上，人类对能源的认识与使用可以反映一个时代的科技水平，这说明能源具有静态属性。随着社会的发展，每个时代都会面临不同程度的能源危机并以此为契机产生新技术（例如，20世纪70年代石油危机促进了新能源与热泵技术的发展），这表明人类对能源的认识与利用在不断进步，因此能源还具有动态属性与发展特征。进入21世纪后，进一步开发可再生能源与发展能量回收技术已成为解决当前能源与环境问题的重要技术手段。作为节能装置，热泵通过回收与转换技术将空气、水以及土壤中的能量运用到建筑系统以降低常规能源消耗，因此其理论与应用技术已成为工程科学研究的前沿。国内实施煤改电与煤改气政策以缓解雾霾天气，张继平和乐慧等提供的报告表明：在实施煤改电工程后，PM2.5，PM10，SO2，NO2，NOx以及VOCs等大气污染物浓度均下降，煤改电与煤改气政策对热泵供暖技术的推广及应用具有巨大的推动力。
水环热泵系统利用水环路将多台小型水/空气热泵机组并联以回收建筑内部产生的余热，同时，将这部分热量转移至外区实现建筑冷热同供效果。作为能量载体，内部循环水温度应维持在16~32 ℃，当水温低于下限值时，应开启辅助热源进行补热；同理，当水温度高于上限值时，应使用冷却塔排热，系统运行原理如图1所示。
图1 水环热泵系统原理图
基于运行原理，需要注意以下问题：首先，在不同的运行工况下，热泵机组会对循环水产生相反的能量作用；其次，循环水是系统的能量载体，其温度变化不但会影响机组运转效率，而且会决定辅助热源与冷却塔的使用状态；最后，当系统负荷发生变化时，供热与供冷的机组数量会改变，并对节能产生重要影响。因此，水环热泵的研究过程需要解决以下问题：第一，在冷热同供时，如何确定机组因工况转换对水环路产生的反向能差，这涉及系统节能评估；第二，因系统运行受多因素影响，如何确定其主导因子与变化规律是关键环节，这涉及系统的运行评价；第三，辅助热源是系统冬季运行的主要能耗，其设计容量对运行节能会产生重要影响，这涉及辅助热源设计与运行评价。笔者将依据最新的理论与技术成果对上述问题进行解答，以此促进水环热泵系统的进一步发展。
1 技术评述
1.1 发展历程
水环热泵产生于20世纪60年代美国加利福尼亚，并被称为“加利福尼亚系统”，20世纪70年代，欧洲与日本出现了众多成功案例，并于21世纪初得到了高速发展。水环热泵系统于20世纪80年代进入我国，最初它仅出现在外商投资的建筑中，因当时国内设计人员对其理解不深，出现了一些失败案例，影响了系统总体运行效果，也阻碍了其推广应用；至20世纪末，随着热工理论发展与认知深化，水环热泵系统在国内得到了广泛应用；进入21世纪，国内不但出现了众多相关理论研究，且其应用区域与建筑模型更加广泛。水环热泵技术虽已显现出众多优点，但其在工程实践中仍然存在一定的局限性。
1.2 技术特点
1） 优势
水环热泵属于热回收式系统，机组通过水环路将内区废热转移至外区供热，这种运行模式可避免常规空调系统的冷热相消问题，且能够大幅降低系统运行费用。
水环热泵系统每平方米初投资与两管制风机盘管系统相当，但比四管制风机盘管系统节省20%，在运行费用方面分别节省10%和30%，同时，因减少管道热损失，系统还会产生8%～15%的节能率。水环热泵系统采用室内设计与分批安装的施工方案，因此，它非常适宜旧建筑空调系统改造与扩建项目。水环热泵系统采用大量小型机组，可避免内部安装大型风管与冷冻机房等问题，这缩短了设计周期，而且使系统布局更加紧凑，同时增加了建筑的有效空间，并可产生一定的经济效益。
目前，我国北方地区的建筑内区面积较小且产热量不大，这导致水环热泵系统运行消耗的能量较高，而不合理的热能供给方式会产生能值损失，同时会污染环境，这些不利因素限制了系统的推广使用。现在，工业废热、水源、土壤、空气以及太阳能都可作为外部低温热源代替建筑余热量解决水环热泵冬季运行问题。
空气源热泵与水环热泵耦合双级供热系统，通过空气源热泵制备的10~20 ℃热水可在一定程度上解决建筑内区余热不足问题，同时可避免空气源热泵结霜问题，这证明多级系统具有提升各级子系统技术价值的功能。
利用热电厂汽轮机排热作为水环热泵外部热源进行供暖，该方案的意义在于对涉及高温工业生产过程的余热进行回收与再利用所产生的技术价值。
水环热泵应用的另一问题是机组性能系数低于大型冷水机组并会增加系统夏季运行费用。设计人员已将集中式空调与水环热泵进行组合设计提升其供冷经济性，这些技术为水环热泵发展提供更大空间。此外，水环热泵机组安装在室内会产生较高的噪声，且系统会因机组布点多而增大配电容量，邹慧明对上述问题进行了详细的研究，并给出了解决办法。
1.3 运行分析
水环热泵系统节能效果与气象条件、建筑类型以及辅助热源形式有密切关系，系统从冬季到夏季经历的5种典型工况如下：
1） 全部制热工况。系统在冬季设计工况下运行时，全部机组处于制热模式，循环水温不断下降，这会导致热源加热低温循环水，再用热泵供暖的不合理现象。因此，若系统长期处于此运行工况，将不具备节能潜力。
2） 大部分制热工况。随着气温的上升，进入供暖末期，建筑内会出现小部分供冷区域，在此条件下，建筑内、外区冷热负荷比例与运行时间共同决定系统节能性。水环热泵系统在此工况下具有节能性。
3） 平衡工况。随着气温进一步升高，进入过渡季节（春季），建筑结构的传热量将大幅降低，且太阳辐射强度不断增强。此时，冷热量供给差异不大，且不会破坏循环水的常温状态，系统运行将处于动态平衡状态，并具有最佳的节能效果。
4） 大部分制冷工况。当气温继续升高时，进入供冷初期，建筑内部产生的热负荷会大于冷负荷，循环水将处于升温状态。水环热泵系统在此工况下运行相比集中式空调系统具有一定的节能潜力。
5） 全部制冷工况。随着气候进入夏季，系统将在满负荷工况下运行，且全部热泵机组将处于制冷工况，系统在此工况下运行不具节能性。
在设计工况下运行时，水环热泵系统相比传统集中式空调系统不具节能性，但在部分负荷下运行时，其节能率较高，特别是运行处于平衡工况。
2 节能研究
2.1 研究思想
因水环热泵系统运行具有特殊性，不同的节能研究思路与方法将对分析结果产生重要影响。水环热泵传统的研究思路是，以建筑负荷变化为依据，通过定义评价指标建立守恒方程评估系统运行效果。但建筑负荷通常会受到室内与周围环境多种因素影响，它们之间还具有一定的关联性，并会形成负荷的多变量函数，这会导致研究过程复杂化。如何确定因机组运行模式转变引起的能量变化也是一个难题。Yu Q. D.提出循环水能量转换思想，并指出循环水可代替建筑负荷成为能耗研究的新方法，同时，机组工况转换产生的能差问题可转化为循环水能量问题。依据系统结构与运行机制，建筑负荷、循环水能量与系统能耗间存在密切的能量传递关系。因此，以建筑负荷与循环水能量作为研究依据可得到相同的结论，2种研究思想对比分析如图2所示。
图2 水环热泵研究方法分析图
由图2可见，循环水取代建筑负荷后，系统运行研究链缩短，方法精确性因减小了环节误差而得到提升；另外，通过取放热方式，机组可将建筑的影响因素与工况转变产生的能量变化转化为循环水能量解决。因此，采用循环水研究水环热泵系统的运行效果将更具实用性。
2.2 研究方法
在研究方法方面，一次能源静态分析方法是水环热泵系统节能运行的重要理论方法。它以集中式空调为对比系统，采用一次能源消耗量作为对比量，通过引入热负荷数K与无因次能耗数E建立无因次功率方程，并以此为依据对系统运行工况点节能性进行评估，并得出K∈[0.09，0.724]时，运行处于节能范围。此法在实际应用中存在一定的局限性：首先，影响建筑负荷的因素多且耦合性高，评价指标的工程意义不够明确；其次，评价指标与建筑负荷具有高度关联性，这将导致运行工况点的实际K值不易确定。
为了解决上述问题，基于机组吸放热对循环水的相反作用，Yu Q. D.提出反向能效应，用于揭示水环热泵系统运行是负荷率与反向能共同作用，因反向能的动态属性而使运行呈非线性规律；利用建立的循环水能量方程确定了冬夏两季热泵系统需要的供给能，这为评估运行的节能性提供了新的理论依据。常茹等将“一次能源静态分析法”转换为“能级差方法”，以此确定了0～80%负荷范围为系统运行的节能区。
J. H. Zaidi等选取水环热泵、变风量、定风量与风机盘管机组4种空调系统进行节能讨论，并得到水环热泵在不同气候条件与建筑类型中的节能率，以及围护结构、负荷率与蓄水容积对节能率的影响。A. Buonomano等利用动态模拟软件，通过对比常规空调系统，研究了水环热泵系统在欧洲几个气象参数区运行的节能率，并讨论其运行的经济性与产生的环境效应。F. J. Fernández等分析了水环热泵系统在伊比利亚半岛4个城市的应用，并使用EnergyPlus软件进行负荷计算，研究结果表明：相比传统四管制空调系统，水环热泵系统应用价值在于热能的节省。
这些模拟方法为水环热泵系统应用与工况分析提供了一定的参考依据，但是缺少规律性总结。
2.3 研究线索
无论科学研究还是技术改造，新线索的发现通常具有重要价值。空调系统在设计工况下的运行时间仅占总运行时间的5%，负荷率是系统运行的主导因素并直接决定节能潜力。因此，研究非标准工况下系统的运行规律将具有重要意义。Yu Q. D.提出“畸变工况点出现的负荷范围与持续时间将决定水环热泵系统的节能潜力”技术假说，用以评价水环热泵系统的整体运行。于齐东等在研究非标准工况对水环热泵运行影响的过程中，发现负荷率与循环水的作用关系，提出可将建筑在不同负荷率下的系统能耗转换为循环水在不同能级下的能量。基于此，负荷率应成为研究水环热泵系统运行变化的关键切入点。
在水环热泵系统中，循环水是机组与建筑的连接介质，而负荷变化又以改变水温方式影响机组能耗，因此循环水相对建筑负荷对系统运行的影响更直接。循环水温对系统运行部件的能耗影响显著，因此控制水温变化是水环热泵系统节能的重要技术手段。因此，以循环水作为研究基础，通过其能量变化研究获取能耗变化规律将是水环热泵系统运行研究的另一条关键线索。
3 适用性研究
3.1 气象条件
气象条件是影响水环热泵运行的关键因素。根据GB 50352—2005《民用建筑设计通则》，我国分为7个典型气象参数区，其中严寒、寒冷、夏热冬冷与夏热冬暖是主要讨论的范围。在夏热冬冷与夏热冬暖地区，水环热泵系统应用具有一定的节能优势，这是因为上述地区建筑内部可回收的余热量较多且系统处于冷热同供时间较长。但对于严寒地区，因低温与较弱的太阳辐射，建筑即使进行了节能改造，其内部可回收的余热也可忽略不计。因此，水环热泵系统不宜在此类地区使用，除非建筑内部有大量稳定热源或当地有可利用的低温热源。针对以京津为代表的寒冷地区，水环热泵系统应用具有可行性，同时，2015年我国提出的《京津冀协同发展规划纲要》为水环热泵系统应用提供了一定的政策与经济条件。
3.2 建筑模型
建筑模型一直是水环热泵系统应用研究的焦点问题。水环热泵系统非常适合有内外分区且不同区域存在冷热不同需求的复合型建筑（或“回”字形建筑），这类建筑也成为应用研究的重点。随着我国经济的高速发展，一些新契机的出现促进了水环热泵系统进一步的发展：首先，单元式水环热泵机组的制冷系数与制热系数已接近5.0，同时，国内设计人员对系统节能方式有了深刻的认识并积累了大量的工程经验；其次，因地区经济发展的迫切需要，商务写字楼、办公楼等单体类建筑不断涌现并存在高能耗问题，因此，它们是新时期建筑节能的重点；最后，基于办公类建筑设计与使用特点，它们具备水环热泵系统的使用条件。实际案例也证明：水环热泵系统在单体办公建筑中应用能够实现较好的节能效果。因此，国内建筑可划分为无内区、有内区与单体商务建筑3类。
3.3 工况讨论
基于以上运行分析，在制冷工况下运行时，水环热泵的节能性与经济性要优于制热工况。如果一栋建筑大部分房间长期需要供冷，这说明建筑内部余热量较大，但还要考虑水环热泵机组制冷能力低于冷水机组的问题，以及系统在不同负荷范围的运行时间等因素，应谨慎使用水环热泵系统，避免出现高能耗问题；如果建筑大部分区域需要长期供热，这说明其内部余热量较小，并会导致辅助热源的高能耗，以及产生不合理的用能问题，水环热泵系统不宜应用于此类建筑；如果建筑内部冷热负荷相差不多，并能够使水环热泵系统长期处于供冷与供热的复合运行模式，在此运行条件下，水环热泵系统可获得最佳的节能效果与环保效益，因此，推荐水环热泵系统在此类建筑中使用。
3.4 热源设计
基于能源与环境对社会发展的综合影响，国内设计人员已广泛采用太阳能、地热能以及深井水源等作为水环热泵系统的低温辅助热源并形成耦合式热泵系统，这些方案属于可再生能源利用，并表现出一定的节能潜力，但它们的应用也存一些不稳定因素：1）太阳辐射能会随季节与空气质量变化出现较大的波动，甚至其在阴雨天不能向系统提供能量；2）空气源热泵会因冬季结霜问题导致其供热量快速下降；3）如果地源热泵排热量大于取热量会造成土壤温度失衡，且这种现象会随运行时间的延长而产生热积聚问题，土壤的热积聚会减弱其传热效果，进而影响热泵系统冬季运行的稳定性；4）地下水源热泵会因渗流、地质结构以及抽灌井等因素的作用存在一定的供热稳定性问题。
基于上述分析，水环热泵系统在我国的应用情况如图3所示。
图3 水环热泵系统应用评价图
4 辅助热源研究进展
辅助热源用来补充系统冬季热损失，它主要受气象条件、建筑结构与使用情况3方面影响，且其容量应以循环水能量变化为选取依据。气象条件决定建筑所处地环境的温湿度、风速以及太阳辐射强度与日照时间，它们将分别以热传导、对流换热、热辐射等方式影响房间的冷热负荷；建筑结构主要包括整体布局（建筑内外区的划分）、房间朝向、窗墙比以及围护结构及保温措施等，它们将对房间的传热热阻、内部产热量聚集以及太阳辐射得热量产生重要的影响；使用情况是指空调房间功能及其使用时间，这将决定建筑内部产生的热湿负荷与它们作用的稳定性。这些影响因素会形成房间的冷热负荷，并通过负荷率变化导致热泵机组对水环路产生反向能效应，也会影响热泵系统的运行时间。基于此，辅助热源研究模型如图4所示。
图4 辅助热源研究模型图
目前，工程中常采用一种折算系数法确定辅助热源设计容量，它是以建筑热负荷作为容量选取的基准线，同时，将气象条件、建筑结构与使用情况等影响因素归纳为折算系数，工程中的折算系数一般取0.3~0.7。但这种估算方法存在一些问题：首先，辅助热源是水环热泵系统主要的耗能设备，其使用状态决定能耗的整体走势，而折算系数没有对此进行讨论并提出相关的依据；其次，折算系数是一个静态指标，它忽略了负荷率对运行的影响，特别是运行过程所产生的反向能作用，这可能会导致在设计中存在取值不合理问题并带来额外能耗；最后，折算系数无法反映辅助热源容量对系统运行的影响，且其变化无规律可循。基于此，Yu Q. D.将气象条件、建筑结构与使用情况等因素转化为更贴近工程实际的负荷率，并以此建立辅助热源容量模型，确定其容量范围为热负荷的38.3%~78.5%；以天津办公建筑群为案例，选取不同热源容量方案进行测试，发现合理选取辅助热源容量可以抑制负荷变化产生的功率波动并有助于降低总能耗。
5 结论
基于对水环热泵技术的评述，笔者对系统运行的节能性、使用条件以及辅助热源设计进行分析，并得到以下结论：
1）以循环水为研究基础，采用负荷率作为切入点，可以简化研究过程，并获得更合理的节能范围。
2）除严寒地区外，水环热泵系统一般具有节能性，且制冷比制热运行节能效果好，此外，系统在单体办公类建筑中使用也具有一定的节能潜力。
3）系统辅助热源容量通常受气象条件、建筑结构与使用情况等因素影响，针对国内建筑，其设计容量范围为热负荷的38.3％～78.5%，且合理选取其容量范围有助于降低总能耗。
