大温差水源热泵冷冻水系统的应用分析
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本文将从技术及经济性的角度，再结合一些实验对大温差高温热泵的可行性进行分析。 1 水源热泵机组大温差运行状况 1.1 水源热泵冷冻水供回水温差对机组能力的影响 虽然大多数厂家称，普通的水源热泵机组能够用于大温差系统，但由于大温差运行模式 下，水源热泵机组冷冻水进出水温度改变，对机组的制冷（制热）能力，以及 COP 值均发 生了改变。充分了解机组能力和 COP 值的改变，对如何有效地应用大温差系统是非常重要 的。 1.1.1 水源热泵进出口温度对蒸发温度的影响 大温差运行模式对水源热泵机组 COP 值的影响直接作用于机组的蒸发温度上，通过影 响蒸发温度从而影响了机组的 COP 值。图 1 给出了 OAK（欧锴）水源热泵机组的蒸发温 度与进、出口水温度的关系。
况设计的换热器在冷水大温差工况下的运行性能如何，以下将进行简述：
2.1 大温差对末端空气处理设备的影响 当冷冻水供回水温差增大后，由于供回水温度和水侧流量的变化，末端表冷器的性能也
会发生相应的变化，主要表现为冷却能力和除湿能力的改变，而大温差运行往往导致冷却除
湿能力的共同下降，造成室内温湿度的上升，影响舒适度。
/kW
值
7
30
1 810
366
4.9
能效比COP值
5.60 5.30 5.00 4.70 4.40 4.10 3.80 3.50
456789 进出水温差
5℃出水温度 6℃出水温度 7℃出水温度 8℃出水温度
图 2 机组进出水温差和 COP 之间的曲线关系 从图 2 可知，水源热泵出水温度，对机组的 COP 值的影响较大，随着出水温度升高， COP 值也随之增大，当进出水温差维持在 5 ℃时，机组出水温度由 5 ℃提高到 8 ℃，COP 值大约提高 17%；若机组出水温度恒定，随进出水温差变大，冷水机组的 COP 值也随之提 高，但变化不大。当出水温度为 7 ℃时，机组进出水温差由 4 ℃提高到 9 ℃，COP 值的提 升幅度不到 5％。 1.2 水源热泵机组运行分析 由上述可知，对于采取冷水大温差运行的水源热泵系统，可通过以下 3 种方式提高水源 热泵机组的空调效率： （1）单机运行，维持水源热泵机组的出水温度为设计值，只提高水源热泵机组的进水 温度。则采用这种方式水源热泵机组的 COP 值将得到一定程度的提升，但若水源热泵机组 进水温度过高时，将会影响末端空气处理设备的运行，尤其是除湿性能，所以为了保证末端 的冷却除湿能力，末端空气处理设备需要做一定的调整。 （2）单机运行，降低水源热泵机组的出水温度，增大进出水温差，这种方式可能会牺 牲机组的 COP 值，但机组出水温度的降低可以抵消末端空气处理设备由于大温差工况引起 的性能下降问题。 （3）很多厂家也提出将多台水源热泵机组串联运行，对于同样的大温差工况，例如冷 冻水供回水温度分别为 17 ℃/7 ℃的情况，若采取机组串联运行的方式，设置 2 台串联的冷 水机组，先由 1#机组将冷水由 17 ℃降至 12 ℃，其后另 1 台 2#机组将冷水由 12 ℃降至 7 ℃， 如图 3 所示，低温冷水机组运行方式与常规机组相同，但 1#机组由于蒸发温度的提高，将 大于常规机组，从而实现了机组串联运行的节能效果。
图 3 2 台水源热泵串联运行
表 2 各种机组运行策略的能耗对比
运行方式
制冷量
进出水温
运行费用/
/kW
度/℃
万元
节能率/%
两机
1#
1 059
17/12
组串联运
行
2#
1 059
12/7
50.43
19.3
单机大温差
1 059*2
17/7
59.7
4.5
常规机组
1 059*2
12/7
62.5
0
2 末端空气处理设备大温差运行分析 冷冻水的供回水温度直接影响着末端空气处理设备换热器的冷却、除湿性能。按常规工
（3）在冷水大温差系统的设计中，需要把负荷特性、水源热泵机组的特性，整个系统 初投资和运行费用等多种因素全面考虑，以最大程度发挥大温差在水源热泵领域的优越性。
[参考文献] [1]（日）石野裕祠，佐藤正庄. 周祖毅译.关于大温差效流量系统的开发.空调暖通技术， 1996 [2]马最良，姚杨主编.民用建筑空调设计. 北京：化学工业出版社，2003 [3]贾晶，胡海军.大温差小流量的空调水系统方案 全国暖通空调制冷 2006 年学术年会 2006 [4]冷水大温差运行的适应性研究 制冷空调与电力机械 2009 年 5 月 [5]OAK 中央空调样册 2009 年 12 月
蒸发温度℃
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
17
16
15
14
13
12
进水温度℃
出水温度6℃ 出水温度7℃ 出水温度8℃
图 1 机组蒸发温度和进出水温度的曲线关系 从上图可知，在水源热泵机组的出口水温恒定时，其蒸发温度随进口水温（也即
进出口温差）的增大而提高；而水源热泵机组进口水温恒定时，蒸发温度随出口水温的增大 而提高且提升幅度更大，此说明相对于水源热泵机组出口水温的变化，水源热泵机组进口水 温（进出口温差）对于蒸发温度的影响相对较小。图中的数据表明，机组出水温度由 7 ℃ 降至 6 ℃，蒸发温度将降低 1 ℃左右，这对水源热泵机组将产生较大的影响，但进水温度 从 12 ℃升至 17 ℃时，每提高 1 ℃，蒸发温度的提升仅 0.1 ℃左右，对水源热泵机组的影
响将非常有限。
1.1.2 水源热泵机组进出口水温对机组 COP 的影响 图 2 中是 OAK 水源热泵机组随机组出口水温和进出水温差的变化曲线。该机组的额定 参数如表 1 所示。 表 1 水源热泵机组随机组出口水温和进出水温差的变化曲线
冷冻水出口温度/
冷却水出口温度
制冷量
压缩机功率
COP
℃
/℃
/kW
充分换热。
图 5 表冷器的抽管示意图 3 结语 本文分别从大温差水源热泵冷冻水系统运行模式的适应性、经济性等方面分析，得到相 应的结论如下： （1）常规水源热泵机组在一定范围内都可以不经改造直接运行于大温差系统下，若维 持机组的出水温度不变，而只是提高进水温度，则机组性能几乎不变；但当出水温度降低时， 将 2 台水源热泵机组串联运行能一定程度提高大温差工况下的制冷效率，是有效的能源解决 方案。 （2）采用冷水大温差运行方式时，若回水温度过高，末端空气处理设备的除湿能力的 衰减最为显著，因此，大温差设计必须校核空气处理设备的除湿能力和冷却能力，并通过增 加表冷器排数、降低进入末端的冷冻水温度等措施进行弥补。
0.37
水侧阻力
1.2
0.51
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.5
0.68
/kPa
5
空气阻力
11.5
10
26.8
12
34.56
/kPa
120
120
180
180
240
240
注：（1）风量：1 000 m3/ h；入口空气干/ 湿球温度：27 ℃/ 19.5 ℃；
迎面风速：2.5 m/s；Δt 为供回水温差。
（3）合理设计表冷器的插接方式延长冷冻水在表冷器中的流动时间如图 5 所示，使其
大温差水源热泵冷冻水系统的应用分析
摘 要：通过对水源热泵冷冻水大温差系统的分析，结合实验室的数据，从技术、经济性等 方面做了相关的阐述，对设计人员的设计应用起到了指导的意义。
关键词：水源热泵 冷冻水系统 大温差 节能
水源热泵技术作为一种目前流行的节能技术，能够提供比驱动能源多的热能，在节约能 源、保护环境方面具有独特的优势，获得了较为广泛的应用，取得了一定的节能和环保效益。
在国内的空调设计中，水源热泵的额定供回水温度一般设计为 7 ℃/12 ℃，温差为 5 ℃。 水源热泵冷冻水大温差运行方式是近几年在国内逐渐发展起来的空调设计新思路，其区别于 常规系统的主要特点是在保持冷水机组供冷量不变的基础上，增大供回水温差，从而减少了 供水流量。由于流量的减小，冷水泵的能耗得以降低，同时水泵型号、冷水管路的管径也可 相应减小，降低了初投资。
当表冷器进水温度为 7 ℃和 5 ℃时，其相对除热量（全热显热潜热）随表冷器进出水 温差的变化情况，如图 4 所示。
除热值W
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
5℃
6℃
7℃
8℃
9℃
进出水温差℃
5℃全热值 5℃潜热值 5℃显热值 7℃全热值 7℃潜热值 7℃显热值
图 4 表冷器除热量和进出水温差之间的曲线关系 由图 4 可以看出，随着供回水温差的增大，表冷器的各项除热量均降低，其中以潜热的 衰减最大，对于进水温度为 7 ℃的表冷器，当温差由 5 ℃增加到 7 ℃时，潜热冷量减少了 39%。另外，减小表冷器进水温度能有效提高表冷器的除热量，从而减小因大温差引起的除 热量衰减，由图中数据可知，若系统欲运行于 7 ℃的供回水温差下，只要将机组出水温度 降至 5 ℃，就能保证末端表冷器的冷却除湿性能，相比于常规工况不发生衰减。 2.2 弥补大温差运行对表冷器损失的措施 （1）降低冷冻水的进水温度。由以上的分析不难看出，降低冷冻水供水温度，可以提 高末端的去湿能力和制冷能力，部分抵消冷水供水温差增大对末端表冷器的衰减。 （2）增加盘管的排数。文献[6]以 1 000 m3/h 风量的风机盘管为例，在冷冻水供、回水 温度分别为 7.2 ℃/12.8 ℃、5.6 ℃/15.6 ℃的情况下，通过选型得出的所需水盘管的排数如
表 3 所示。可见，增加末端表冷器的排数，可以提高末端空气处理设备的制冷能力和去湿能 力，与小温差情况下达到相同的效果。
表 3 管排数和表冷器性能的变化
4排
△
△
6排
△
△
8排
△
△
t=5 ℃ 换热量
t=10 ℃
t=5 ℃
t=10 ℃
t=5 ℃
t=10 ℃
/kw
5
4
水量
7
6.09
9
8.1
/m3/h
0.9
况设计的换热器在冷水大温差工况下的运行性能如何，以下将进行简述：
2.1 大温差对末端空气处理设备的影响 当冷冻水供回水温差增大后，由于供回水温度和水侧流量的变化，末端表冷器的性能也
会发生相应的变化，主要表现为冷却能力和除湿能力的改变，而大温差运行往往导致冷却除
湿能力的共同下降，造成室内温湿度的上升，影响舒适度。
/kW
值
7
30
1 810
366
4.9
能效比COP值
5.60 5.30 5.00 4.70 4.40 4.10 3.80 3.50
456789 进出水温差
5℃出水温度 6℃出水温度 7℃出水温度 8℃出水温度
图 2 机组进出水温差和 COP 之间的曲线关系 从图 2 可知，水源热泵出水温度，对机组的 COP 值的影响较大，随着出水温度升高， COP 值也随之增大，当进出水温差维持在 5 ℃时，机组出水温度由 5 ℃提高到 8 ℃，COP 值大约提高 17%；若机组出水温度恒定，随进出水温差变大，冷水机组的 COP 值也随之提 高，但变化不大。当出水温度为 7 ℃时，机组进出水温差由 4 ℃提高到 9 ℃，COP 值的提 升幅度不到 5％。 1.2 水源热泵机组运行分析 由上述可知，对于采取冷水大温差运行的水源热泵系统，可通过以下 3 种方式提高水源 热泵机组的空调效率： （1）单机运行，维持水源热泵机组的出水温度为设计值，只提高水源热泵机组的进水 温度。则采用这种方式水源热泵机组的 COP 值将得到一定程度的提升，但若水源热泵机组 进水温度过高时，将会影响末端空气处理设备的运行，尤其是除湿性能，所以为了保证末端 的冷却除湿能力，末端空气处理设备需要做一定的调整。 （2）单机运行，降低水源热泵机组的出水温度，增大进出水温差，这种方式可能会牺 牲机组的 COP 值，但机组出水温度的降低可以抵消末端空气处理设备由于大温差工况引起 的性能下降问题。 （3）很多厂家也提出将多台水源热泵机组串联运行，对于同样的大温差工况，例如冷 冻水供回水温度分别为 17 ℃/7 ℃的情况，若采取机组串联运行的方式，设置 2 台串联的冷 水机组，先由 1#机组将冷水由 17 ℃降至 12 ℃，其后另 1 台 2#机组将冷水由 12 ℃降至 7 ℃， 如图 3 所示，低温冷水机组运行方式与常规机组相同，但 1#机组由于蒸发温度的提高，将 大于常规机组，从而实现了机组串联运行的节能效果。
图 3 2 台水源热泵串联运行
表 2 各种机组运行策略的能耗对比
运行方式
制冷量
进出水温
运行费用/
/kW
度/℃
万元
节能率/%
两机
1#
1 059
17/12
组串联运
行
2#
1 059
12/7
50.43
19.3
单机大温差
1 059*2
17/7
59.7
4.5
常规机组
1 059*2
12/7
62.5
0
2 末端空气处理设备大温差运行分析 冷冻水的供回水温度直接影响着末端空气处理设备换热器的冷却、除湿性能。按常规工
（3）在冷水大温差系统的设计中，需要把负荷特性、水源热泵机组的特性，整个系统 初投资和运行费用等多种因素全面考虑，以最大程度发挥大温差在水源热泵领域的优越性。
[参考文献] [1]（日）石野裕祠，佐藤正庄. 周祖毅译.关于大温差效流量系统的开发.空调暖通技术， 1996 [2]马最良，姚杨主编.民用建筑空调设计. 北京：化学工业出版社，2003 [3]贾晶，胡海军.大温差小流量的空调水系统方案 全国暖通空调制冷 2006 年学术年会 2006 [4]冷水大温差运行的适应性研究 制冷空调与电力机械 2009 年 5 月 [5]OAK 中央空调样册 2009 年 12 月
蒸发温度℃
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进水温度℃
出水温度6℃ 出水温度7℃ 出水温度8℃
图 1 机组蒸发温度和进出水温度的曲线关系 从上图可知，在水源热泵机组的出口水温恒定时，其蒸发温度随进口水温（也即
进出口温差）的增大而提高；而水源热泵机组进口水温恒定时，蒸发温度随出口水温的增大 而提高且提升幅度更大，此说明相对于水源热泵机组出口水温的变化，水源热泵机组进口水 温（进出口温差）对于蒸发温度的影响相对较小。图中的数据表明，机组出水温度由 7 ℃ 降至 6 ℃，蒸发温度将降低 1 ℃左右，这对水源热泵机组将产生较大的影响，但进水温度 从 12 ℃升至 17 ℃时，每提高 1 ℃，蒸发温度的提升仅 0.1 ℃左右，对水源热泵机组的影
响将非常有限。
1.1.2 水源热泵机组进出口水温对机组 COP 的影响 图 2 中是 OAK 水源热泵机组随机组出口水温和进出水温差的变化曲线。该机组的额定 参数如表 1 所示。 表 1 水源热泵机组随机组出口水温和进出水温差的变化曲线
冷冻水出口温度/
冷却水出口温度
制冷量
压缩机功率
COP
℃
/℃
/kW
充分换热。
图 5 表冷器的抽管示意图 3 结语 本文分别从大温差水源热泵冷冻水系统运行模式的适应性、经济性等方面分析，得到相 应的结论如下： （1）常规水源热泵机组在一定范围内都可以不经改造直接运行于大温差系统下，若维 持机组的出水温度不变，而只是提高进水温度，则机组性能几乎不变；但当出水温度降低时， 将 2 台水源热泵机组串联运行能一定程度提高大温差工况下的制冷效率，是有效的能源解决 方案。 （2）采用冷水大温差运行方式时，若回水温度过高，末端空气处理设备的除湿能力的 衰减最为显著，因此，大温差设计必须校核空气处理设备的除湿能力和冷却能力，并通过增 加表冷器排数、降低进入末端的冷冻水温度等措施进行弥补。
0.37
水侧阻力
1.2
0.51
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.5
0.68
/kPa
5
空气阻力
11.5
10
26.8
12
34.56
/kPa
120
120
180
180
240
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注：（1）风量：1 000 m3/ h；入口空气干/ 湿球温度：27 ℃/ 19.5 ℃；
迎面风速：2.5 m/s；Δt 为供回水温差。
（3）合理设计表冷器的插接方式延长冷冻水在表冷器中的流动时间如图 5 所示，使其
大温差水源热泵冷冻水系统的应用分析
摘 要：通过对水源热泵冷冻水大温差系统的分析，结合实验室的数据，从技术、经济性等 方面做了相关的阐述，对设计人员的设计应用起到了指导的意义。
关键词：水源热泵 冷冻水系统 大温差 节能
水源热泵技术作为一种目前流行的节能技术，能够提供比驱动能源多的热能，在节约能 源、保护环境方面具有独特的优势，获得了较为广泛的应用，取得了一定的节能和环保效益。
在国内的空调设计中，水源热泵的额定供回水温度一般设计为 7 ℃/12 ℃，温差为 5 ℃。 水源热泵冷冻水大温差运行方式是近几年在国内逐渐发展起来的空调设计新思路，其区别于 常规系统的主要特点是在保持冷水机组供冷量不变的基础上，增大供回水温差，从而减少了 供水流量。由于流量的减小，冷水泵的能耗得以降低，同时水泵型号、冷水管路的管径也可 相应减小，降低了初投资。
当表冷器进水温度为 7 ℃和 5 ℃时，其相对除热量（全热显热潜热）随表冷器进出水 温差的变化情况，如图 4 所示。
除热值W
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
5℃
6℃
7℃
8℃
9℃
进出水温差℃
5℃全热值 5℃潜热值 5℃显热值 7℃全热值 7℃潜热值 7℃显热值
图 4 表冷器除热量和进出水温差之间的曲线关系 由图 4 可以看出，随着供回水温差的增大，表冷器的各项除热量均降低，其中以潜热的 衰减最大，对于进水温度为 7 ℃的表冷器，当温差由 5 ℃增加到 7 ℃时，潜热冷量减少了 39%。另外，减小表冷器进水温度能有效提高表冷器的除热量，从而减小因大温差引起的除 热量衰减，由图中数据可知，若系统欲运行于 7 ℃的供回水温差下，只要将机组出水温度 降至 5 ℃，就能保证末端表冷器的冷却除湿性能，相比于常规工况不发生衰减。 2.2 弥补大温差运行对表冷器损失的措施 （1）降低冷冻水的进水温度。由以上的分析不难看出，降低冷冻水供水温度，可以提 高末端的去湿能力和制冷能力，部分抵消冷水供水温差增大对末端表冷器的衰减。 （2）增加盘管的排数。文献[6]以 1 000 m3/h 风量的风机盘管为例，在冷冻水供、回水 温度分别为 7.2 ℃/12.8 ℃、5.6 ℃/15.6 ℃的情况下，通过选型得出的所需水盘管的排数如
表 3 所示。可见，增加末端表冷器的排数，可以提高末端空气处理设备的制冷能力和去湿能 力，与小温差情况下达到相同的效果。
表 3 管排数和表冷器性能的变化
4排
△
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6排
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8排
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t=5 ℃ 换热量
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t=5 ℃
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