冷（热）水机组的优化方案

1.水冷型冷水机组（见52章）

2.风冷型冷水机组（见52章）

3.空气源热泵冷热水机组

空气源热泵冷热水机组具有夏季供冷水和冬季供热水的双重功能，省去了一套复杂的冷却水系统和锅炉加热系统，安装使用十分方便，其产品应用十分广泛，特别是在夏季需制冷而冬季需采暖的地区广受欢迎。由于以空气作为热源和冷源可大大地节约用水，也避免了对水质的污染；将空气源热泵冷热水机组放在建筑物顶层或室外平台即可工作，省去了专用的冷冻机组和锅炉房。但由于空气的比热容小，传热性能差，它的表面传热系数只有水的1/50～1/100，所以空气源热泵冷热水机组的空气侧换热器的体积较为庞大；而且因空气中含有水分，当空气侧表面温度低于0℃时，翅片管表面上会结霜，结霜后传热能力就会下降，使制热量减小，因此空气源热泵冷热水机组在制热工况下工作时要进行除霜。近年来国际上对空气源热泵冷热水机组的使用范围和提高其经济性研究较多，已经开发出低温环境的空气源热泵和高效率的空气源热泵。

目前空气源热泵冷热水机组按照机组采用的压缩机类型的不同主要可分为三大类产品，分别为往复活塞式空气源热泵、涡旋式空气源热泵和螺杆式空气源热泵，采用的制冷剂已从传统的R22发展为R134a、R407C和R410A。而按照机组的结构型式又可以将空气源热泵冷热水机组分为组合模块式和整体式两种型式。图9-7和图9-8分别表示两种不同型式机组外型图。从图9-7中可以看出，组合模块式空气源热泵冷热水机组由多个独立回路的单元机组组成，每个单元机组有一台压缩机、一台空气侧换热器和一台水侧换热器，几个单元组合起来后将水管连接起来成为一台独立机组。而整体式空气源热泵冷热水机组由一台压缩机或多台压缩机为主机，但共用一台水侧换热器。空气源热泵冷热水机组的容量范围自5～2000kW，空气侧换热器基本上采用铝翅片套铜管组成的排管，其排列方式有H形、V形、L形和W形多种，H形和W形多用于大容量机组；水侧换热器则是大容量机组以壳管式换热器为主，小容量机组可以是壳管式、板式和套管式换热器。带有热回收功能的空气源热泵冷热水机组成为了近年的一个卖点。

往复活塞式空气源热泵冷热水机组基本上采用半封闭多缸活塞压缩机，每台压缩机常为三级或四级容量控制，各自完成一个独立的制冷回路。该机型技术成熟，价格经济，运行可靠。但是这种型式的机组由于效率较低，噪声较大以及所采用的制冷剂为R22等原因，近几年的产销量一直呈现下降的趋势，其原有的市场逐渐被涡旋式和螺杆式空气源热泵冷热水机组等机型所替代。

图9-7 组合模块式空气源热泵冷热水机组

图9-8 整体式空气源热泵冷热水机组

图9-9所示为螺杆压缩机的空气源热泵冷热水机组的典型流程。在制冷工况时，压缩机1排出的高温、高压制冷剂气体进入油分离器3，在油分离器中，油被分离出来，经过单向阀2回到压缩机1。油泵4为预润滑油泵，在机组起动前向压缩机供油；在压缩机运转后，机组利用高低压压差将油经单向阀2向压缩机供油。从油分离器出来的制冷剂气体，经背压阀5到四通换向阀6，在盘管7中，制冷剂气体与空气热交换，变为液体，制冷剂液体经单向阀10到贮液器8。贮液器8出来的制冷剂液体，绝大多数进入经济器12，小部分通过电子膨胀阀9，节流后进入经济器。节流后的制冷剂，在经济器中与制冷剂液体进行热交换，制冷剂汽化后进入压缩机。在汽化过程中，进入经济器12的制冷剂液体吸收热量进一步冷却，这一部分制冷剂液体通过电子膨胀阀13后节流降压，再经过单向阀14进入壳管式换热器16，制冷剂吸收热量而汽化，通过四通换向阀6进入气液分离器17，制冷剂气体被吸入到压缩机中，完成制冷循环。

制热工况时压缩机1排出的高温、高压制冷剂气体被排入油分离器3，在油分离器中，油被分离出来，经过单向阀2回到压缩机1，从油分离器出来的制冷剂气体，经背压阀5到四通换向阀6，在壳管式换热器16中，高温、高压气体经冷凝放热，变为液体，制冷剂液体经单向阀15到贮液器8，贮液器出来的制冷剂液体，绝大部分进入经济器12。小部分通过电子膨胀阀9节流后进入经济器，节流后制冷剂在经济器中与制冷剂液体进行热交换，制冷剂汽化后进入压缩机，在汽化过程中，进入经济器12的制冷剂液体吸收热量进一步冷却，这部分制冷剂液体通过电子膨胀阀13后节流降压，再经过单向阀11进入盘管7，与空气进行热交换后制冷剂吸收热量而汽化，通过四通换向阀6后，进入气液分离器17，制冷剂气体被吸入到压缩机中完成制热循环。

表9-6所列的为开利公司的采用R134a制冷剂的30SHP系列和采用R407C制冷剂的RHUG系列产品的主要技术参数。

图9-9 螺杆压缩机的空气源热泵冷热水机组的典型流程

——→制冷 --→制热

1—压缩机 2、10、11、14、15—单向阀 3—油分离器 4—油泵 5—背压阀 6—四通换向阀 7—盘管8—贮液器 9、13—电子膨胀阀 12—经济器 16—壳管式换热器 17—气液分离器

表9-6 采用R134a制冷剂的30SHP系列和采用R407C制冷剂的RHUG系列产品的主要技术参数

（续）

注：1.名义制冷工况：冷水进出水温度（12/7）℃，室外空气干球温度35℃。

2.名义制热工况：热水进出水温度（40/45）℃，室外空气干球温度7℃，湿球温度6℃。

图9-10为使用涡旋压缩机，采用R410A制冷剂的空气源热泵冷热水机组的外形结构图。机组内部还配置水力模块，包含水泵、过滤器、安全阀、膨胀水箱、压力表、放气阀、流量开关、流量调节阀等水力组件。机组采用多台专为R410A设计的高效涡旋压缩机，并带有微电脑控制系统进行系统智能控制。系统采用电子膨胀阀控制制冷剂流量，充分考虑部分负荷时的效率，机组还具有智能除霜的控制逻辑。表9-7列出了采用R410A制冷剂的30RQ系列产品和采用R22制冷剂的YCAB系列产品的主要技术参数。

图9-10 采用R410A制冷剂的涡旋式空气源热泵冷热水机组的外形结构图

表9-7 采用R410A制冷剂的30RQ和采用R22制冷剂的YCAB系列产品的主要技术参数

注：1.名义制冷工况：冷水进出水温度（12/7）℃，室外空气干球温度35℃。

2.名义制热工况：热水进出水温度（40/45）℃，室外空气干球温度7℃，湿球温度6℃。

由于空气源热泵冷热水机组是将空气作为冷源和热源，因此其机组的性能受环境温度的影响较大。根据我国制定的空气源热泵冷热水机组的国家标准，机组的名义制冷量是指冷水进出水温度（12/7）℃，室外环境空气干球温度35℃时机组的制冷量；机组的名义制热量是指热水进出水温度（40/45）℃，室外环境空气干球温度7℃，湿球温度6℃时机组的制热量。在实际工作时由于环境温度不同和冷水或热水温度不同，机组的制冷量或制热量也是变化的。图9-11和图9-12是一台螺杆式空气源热泵冷热水机组制冷和制热运行时的性能曲线。

图9-11 螺杆式空气源热泵冷热水机组制冷运行时的性能曲线

图9-12 螺杆式空气源热泵冷热水机组制热运行时的性能曲线

从图可以看出，在制冷工况下，机组制冷量随冷水出水温度的增加而增加，随环境进风温度的增加而减少；机组的功耗随着冷水出水温度的增加而增加，也随着环境温度的增加而增加。在制热工况下，机组的制热量随热水出水温度的增加而减少，随环境温度的降低而减少；机组的输入功率随热水出水温度增加而增加，随环境温度的降低而减少。

当环境温度降低到0℃左右时，空气侧换热器表面结霜加快，传热温差大，此时蒸发温度下降速率加快，制冷剂流量大大减小，机组制冷量、输入功率大大减小，必须周期性地除霜，机组才能正常工作。一般当环境温度降低到-4℃以下时，可起动辅助电加热器，加热系统的回水，从而补偿风冷热泵制热量的衰减。

空气侧换热器在机组制热工况下作蒸发器使用时，其吸热量与进风空气湿球温度有关。

一般由工厂提供的空气源热泵冷热水机组变工况性能表或特性曲线中的制热量均为瞬时制热量，即未计及除霜所引起的机组制热量的损失。空气源热泵冷热水机组长期运行的制热量必须乘以修正系数（长期运行制热量和瞬时制热量之比），该修正系数与室外空气参数有关。表9-8列出了典型的空气源热泵冷热水机组在不同室外温度下的修正系数。

表9-8 空气源热泵冷热水机组在不同室外温度下的修正系数

4.水源热泵冷热水机组

水源热泵冷热水机组是在空气源热泵冷热水机组基础上开发成功的以水为冷热源侧传热介质的空调用的供冷（热）机组。空气源热泵冷热水机组是通过消耗一部分动力将蕴藏的热量通过压缩机加以提升来达到建筑取暖，而在机组反循环中则将建筑中的热量通过压缩机升压向大气排放来达到建筑内的制冷。由于大气取之不尽，空气源热泵冷热水机组得到了大量推广，用于大中型建筑的空调系统。但由于大气温度变化大，不同地区有相差悬殊的大气温度，且同一地区不同季节亦有很大变化。冬季温度下降时，冷热水机组能量大大衰减。夏季气温上升时，机组效率下降。导致空气源热泵冷热水机组的应用范围受到限制。水源热泵冷热水机组是利用地球地下浅层热能作为热泵的热源，而地下水所蕴藏的低温热源分布广泛，储量巨大，再生迅速，采集方便。由于地源温度变化小，比较稳定，因此机组效率大大高于空气源热泵冷热水机组，可以节省大量能耗。近年来得到世界各国的重视和推广应用。我国近年来也进行了推广，生产厂家和产品品种得到不断增加。当然，水源热泵机组由于需要创造水源条件，包括挖掘水井或布置地埋管系统，这会增加投资费用。此外水质会在换热器中引起水垢的形成，造成换热效率的衰减。

目前水源热泵冷热水机组主要用于下列各种空调系统：①水环热泵空调系统；②地源热泵空调系统，该系统又可分为地表水热泵系统、地下水热泵系统和地埋管热泵系统；③其他废热源空调系统。图9-13是一种水源热泵冷热水机组的用于地下水源的实例。

水源热泵冷热水机组和空气源热泵冷热水机组的工作原理基本相同。但按冷热运行的切换方法不同可分为制冷剂流向切换和水管路切换两种型式。前者应用于中小型容量范围，后者多用于大型空调系统。图9-14和图9-15分别表示两种不同型式机组的工作原理图。从图中可以看出水源热泵冷热水机组的工作原理和空气源机组相同，也是由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀节流阀组成。在图9-14中，在制冷工况下，压缩机将低压制冷剂蒸气压缩后成为高压制冷剂气体进入水源侧换热器，通过与水的热交换而使制冷剂冷凝为高压液体，经节流装置膨胀后进入负荷侧换热器。和负荷侧的水介质进行热交换后变为低压蒸气返回压缩机。在制热工况下，通过四通阀的切换，使制冷工况时的冷凝器在这时变为蒸发器，而制冷工况时的蒸发器变为冷凝器。通过蒸发器吸收水的热量，在热泵循环过程中，从冷凝器向负荷侧的热量载体（水）放热。图9-15中，制冷工况和制热工况是通过水管路进行切换的，而制冷剂循环系统保持不变。在制冷工况时，水源供水经三通阀流向冷凝器而负载侧冷冻水系统的回水经三通阀流向蒸发器，在蒸发器中放出热量降温后向空调系统供水。在制热工况时，4个三通阀进行切换改变流向实现制热循环。

图9-13 水源热泵冷热水机组应用于地下水源的实例

图9-14 采用制冷剂回路切换的水源热泵冷热水机组的工作原理

图9-15 采用水管路切换的水源热泵冷热水机组的工作原理

水源热泵冷热水机组的容量范围为5～3000kW。换热器可以是套管式换热器、板式换热器或壳管式换热器。常用的压缩机按容量大小分别采用转子式、涡旋式、活塞式或螺杆式。

图9-16为涡旋式压缩机和高效同轴套管式换热器的水源热泵冷热水机组的外形图，机组内部装有四通换向阀以切换制冷回路。表9-9为该类型的典型机组的技术参数。机组采用R22为制冷剂，其参数属水环路工况。(www.xing528.com)

图9-17为使用R22螺杆式压缩机和壳管式换热器的大型水源热泵冷热水机组。机组换热器采用高效强化换热器。机组配用电子膨胀阀，保证了机组的部分负荷的性能优越。机组是通过水管路系统切换来完成工况变换。制冷量范围为370～3000kW。

图9-16 涡旋式水源热泵冷热水机组外形图

表9-10为典型的R22螺杆式水源热泵冷热水机组的主要技术参数。

表9-9 典型的涡旋式水源热泵冷热水机组的主要技术参数

注：1.机组制冷名义工况：源水侧进出水温度30℃/35℃，负荷侧进出水温度12℃/7℃。

2.制热名义工况：源水侧进水温度20℃，负荷侧进水温度40℃。

图9-17 使用R22螺杆式压缩机和壳管式换热器的大型水源热泵冷热水机组

制热名义工况：水源侧进水温度15°C，负荷侧进水温度40°C。

目前生产的螺杆机组大部分采用R22为制冷剂。除R22外，部分厂商为了提高机组的供热水温度而采用R134a。表9-11为典型的R134a高温型螺杆式水源热泵冷热水机组的主要技术参数。制热工况时的最高供水温度可达60℃。

由于水源热泵冷热水机组可用于不同类型的供水系统。如在地下井水为热源的用途中，深井水的水温一般比当地平均气温高1～2℃。在我国华东地区地下水温范围为15～20℃，而京津地区为10～15℃。但在地埋管为热源的用途中，能获得的供水温度又和地下井水不同。最近我国有关部门根据我国的实际情况，制定了国家标准GB/T 01409—2003《水源热泵机组》。标准对用于不同系统的水源热泵机组分别规定了机组考核的名义工况和机组允许的使用范围。表9-12和表9-13分别规定了机组的名义工况和使用范围。

表9-10 典型的R22螺杆式水源热泵冷热水机组的主要技术参数

注：机组制冷名义工况：源水侧进出水温度18℃/29℃，负荷侧进出水温度12℃/7℃。制热名义工况：水源侧进水温度15℃，负荷侧进水温度40℃。

表9-11 典型的R134a高温型螺杆式水源热泵冷热水机组的主要技术参数

注：1.制热时最高热水出水温度60℃。

2.机组制冷名义工况：冷却水进出水温度18℃/29℃，冷水进出水温度12℃/7℃；制热名义工况：热源水进出水温度15℃/7℃，热水进出水温度50℃/55℃。

表9-12 水源热泵冷热水机组名义工况规定 （单位：℃）

① 采用名义制冷工况确定的水流量。

表9-13 水源热泵冷热水机组正常工作的冷热源温度范围 （单位：℃）

从表9-13中看到当水源热泵机组用于地下环路式系统时，热源温度会下降到冰点以下，特别当在北方地区使用时会遇到。在这种情况下机组热源侧必须采用盐水或乙二醇作为防冻液。由于加入防冻液的循环水和普通水在化学性质上发生变化，机组的制冷量和制热量都要作相应的修正。

由于水源热泵冷热水机组根据热源型式的不同和所应用的地区的不同，水源的实际温度和制造厂商提供的名义工况不一样。为了解和掌握非名义工况的运行性能，用户必须对机组的变工况性能有所了解，图9-18表示了表9-11所列的高温型螺杆式水源热泵冷热水机组的变工况性能曲线。

从图中可以看出，在制冷模式运行时，随着水源水温的下降制冷量会大幅上升，且功率有所下降，而制热模式运行时，水源水温下降时制热量会大幅下降，从图中还可看以随着冷却水或热源进出水温差的改变，性能也会有很大的改变。

5.燃气热泵冷热水机组

燃气热泵冷热水机组是一种以燃气（通常是天然气）发动机驱动的压缩式热泵装置。由于它主要以天然气为驱动能源，辅助以少量的电力实现制热采暖和制冷的目的，因此可以缓解夏季电力紧张、平衡电力和燃气的消费；也可以回收利用发动机的余热，具有较强的供热能力和较高的一次能利用率。图9-19所示为某燃气热泵冷热水机组的热力系统原理图。燃气热泵系统中，制冷剂循环的工作原理和普通电驱动热泵相同。在制冷模式下，为使发动机正常运行，需要散热设备对发动机缸套散热。此时，三通电磁阀18a将冷却水切换到冷却回路一侧，三通电磁阀18b切换到散热回路一侧，使缸套和废气的热量由散热器16和热泵系统风机13排到大气环境。在制热模式下，三通电磁阀18a切换到冷却回路一侧，18b切换到回收回路一侧，空调回水首先经过板式热交换器5（此时为冷凝器）加热，然后通过回收缸套热量的水—水换热器再次加热，实现发动机余热利用。随着热泵工况和气温的变化，运行中发动机冷却水可能会被过分冷却，导致发动机效率降低或点火困难。为确保返回发动机的冷却水水温，设置了旁通回路。当发动机水温过低时，冷却水通过旁通回路直接返回发动机。旁通回路的另一作用是便于起动时发动机的热机。当发动机起动时，冷却水走旁通回路，减少热量的排放，加速热机过程。

图9-18 高温型螺杆式水源热泵冷热水机组的典型变工况性能曲线

a）制冷工况

1—5℃ 2—7℃ 3—9℃ 4—11℃

b）制热工况

1—热水进水温度45℃，低温热源进出水温差8℃ 2—热水进水温度50℃，低温热源进出水温差8℃ 3—热水进水温度55℃，低温热源进出水温差8℃ 4—热水进水温度60℃，低温热源进出水温差8℃ 5—热水进水温度45℃，低温热源进出水温差5℃ 6—热水进水温度50℃，低温热源进出水温差5℃ 7—热水进水温度55℃，低温热源进出水温差5℃ 8—热水进水温度60℃，低温热源进出水温差5℃

图 9-19

1—天然气发动机 2—电磁离合器 3—制冷压缩机 4—气液分离器 5—四通换向阀 6、13、14—换热器 7—电子膨胀阀 8—单向阀组 9—贮液器 10—截止阀 11—过滤干燥器 12—示镜 15—风机 16—烟气热回收器 17、18—三通电磁阀 19—余热回收器 20—冷却水泵 21—空调风机盘管 22—循环水泵 23～27—手动截止阀

燃气热泵冷热水机组和电动热泵冷热水机组相比有以下几个优点：

1）燃气热泵冷热水机组容易实现转速调节，同时在转速50%以上时效率几乎不变，因此具有良好的部分负荷性能。

2）燃气热泵冷热水机组受外界温度的影响小，在以外界空气为热源时电动热泵在采暖时，其能量和性能系数都随外界温度下降而下降。燃气热泵在采暖时，由发动机排热部分供给的热量不变，特别在蒸发器结霜时，电动热泵为除霜要作逆向运转，而不能供应采暖所需的热量。燃气热泵冷热水机组利用其余热的优势，可提供室外换热器所需的补充热量。图9-20表示两种不同类型热泵在环境温度下降时的采暖能力和性能系数的比较。

3）燃气热泵冷热水机组能快速提供采暖所需的热量。作为电动热泵，在严寒时起动的情况下，达所需温度的时间长，而燃气热泵使用发动机的排热，达到所需温度的时间较短。

4）燃气热泵冷热水机组所消耗的电量仅为电动热泵的1/10，可以显著减少夏季的用电峰值，同时燃气热泵冷热水机组的年消耗能源和CO₂排放量也都低于电动热泵。

图9-20 两种不同类型热泵在环境温度下降时的采暖能力和性能系数的比较

表9-14表示一典型的燃气热泵冷热水机组主要技术参数。

表9-14 燃气热泵冷热水机组主要技术参数

注：制冷时：室外侧吸入空气温度35℃（干球），冷水进出口温度7～12℃。

供热时：室外侧吸入空气温度7℃（干球）/6℃（湿球），温水进出口温度50～55℃。