大温差水源热泵冷冻水系统的应用分析

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。
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。

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。

冷冻水出口温度/℃	冷却水出口温度/℃	制冷量/kW	压缩机功率/kW	COP值
7	30	1 810	366	4.9

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[NextPage]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。

运行方式	制冷量/kW	进出水温度/℃	运行费用/万元	节能率/%
两机组串联运行	1#	1 059	17/12	50.43	19.3
2#	1 059	12/7
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。
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。
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。

	4排	6排	8排
	△t=5 ℃	△t=10 ℃	△t=5 ℃	△t=10 ℃	△t=5 ℃	△t=10 ℃
换热量/kw	5	4	7	6.09	9	8.1
水量/m3/h	0.9	0.37	1.2	0.51	1.5	0.68
水侧阻力/kPa	5	11.5	10	26.8	12	34.56
空气阻力/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，使其充分换热。

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。
（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。