1研究背景冷热风型水源热泵机组利用冷却塔、地表或地下水作为低温水源，通过水-制冷剂式冷凝器与整机制冷剂进行热交换。制冷模式时，压缩机产生的热量被水-制冷剂式冷凝器中的低温水源带走，低温制冷剂进入空气-制冷剂式蒸发器，冷却整机的回风气流。水源和制冷剂在冷凝器中被物理隔离，低温水源通过热传导带走高温制冷剂的热量。整机制冷系数比空气源热泵提高约40%[1]。冷热风型水源热泵机组在标准制冷模式时的工作原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.F001图1冷热风型水源热泵机组在标准制冷模式时的工作原理按照ASHARE 90.1标准，北美大部分地区的带风机制冷设备应安装（空气侧/水侧）经济器，从而减少机械制冷的能耗。冷热风型水源热泵通常应用水侧经济器。ASHARE 90.1标准将水侧经济器定义为“不使用机械制冷，通过低温水源间接冷却整机系统的送风，并将热量转移至自然环境中的系统”[2]。因此，水侧经济器可以利用低温水源对整机的回风、送风气流进行预降温，减少机械制冷能耗。2水侧经济器结构组成水侧经济器常被安装至整机回风口处，主要结构包括进水管、三通换向阀、水-空气式换热器（水侧经济器换热器）、出水管和T形管，还有配套的控制模块和温度传感器。T形管与三通换向阀、水侧经济器的换热器通过水管环形连接。进水管内的低温水源通过三通换向阀流入水侧经济器的换热器，经T形管和出水管流入整机，或通过三通换向阀、T型管和出水管直接流入整机。控制模块通常被安装在整机控制箱内，也可被独立安装在其他位置，根据结构设计需求确定；使用多个温度传感器获取进水温度、制冷组件和其他位置的空气温度等参数，可以共用部分温度传感器，也可以全部独立安装使用。水侧经济器在水源热泵机组上的结构组件如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.F002图2水侧经济器在水源热泵机组上的结构组件3水侧经济器工作原理水侧经济器通过温度传感器获取各种温度信息，将信号反馈给控制模块。控制模块根据接收的信号和预置算法逻辑，通过控制三通换向阀引导冷媒水的流向以及整机制冷系统与水侧经济器的集成工作方式。3.1标准制冷模式进水温度较高（12.8 ℃）时，水源经过三通换向阀、T型管和出水管，绕开水侧经济器，直接流入整机。整机系统回风口处水侧经济器的风阻增加，制冷回路与未安装水侧经济器时相同。标准制冷模式下水侧经济器工作原理如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.F003图3标准制冷模式下水侧经济器工作原理3.2经济器制冷模式进水温度较低（≤12.8 ℃）时，水源经过三通换向阀流入水侧经济器，对整机回风气流进行预降温，经过T形管和出水管流入整机。水侧经济器满足整机的部分或全部制冷需求，压缩机部分负载或停止运行。经济器制冷模式下水侧经济器工作原理如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.F004图4经济器制冷模式下水侧经济器工作原理4水侧经济器设计要求水侧经济器设计主要考虑制冷能力、水阻和风阻。根据ASHARE 90.1定义水侧经济器的制冷能力、水阻和控制要求；风阻根据整机送风系统的能力确定，确保安装水侧经济器的整机依然能够满足设定的送风能力。4.1制冷能力室外空气的干、湿球温度为10.0 ℃和7.2 ℃时，水侧经济器提供的冷量应达到整机的全部预期负荷；整机带除湿功能时，室外空气干、湿球温度的标准可以降低至7.2 ℃和4.4 ℃[2]。实际应用时，建筑物在白昼和夜晚对制冷设备的制冷量需求具有较大差异，标准中未明确定义，通常为白昼时制冷设备在指定环境温度下工作的全部预期负荷。4.2水阻要求水侧经济器与整机水-制冷剂式冷凝器串联时，运行最大水阻应小于44.79 kPa；采用并联设计时，整机在标准制冷模式下不会将水侧经济器的水阻纳入系统[2]，此时可以忽略水阻要求。4.3风阻要求整机系统在回风口集成水侧经济器，2种工作模式下的回风气流均需要流经水侧经济器，整机系统的风阻增加。设计整机时，选择电机和风机时应预先考虑水侧经济器的风阻损耗；为了更好地满足现有整机的应用需求，尽可能降低水侧经济器的风阻。5水侧经济器的控制要求和策略ASHARE 90.1标准要求（水侧）经济器的控制系统与整机制冷系统集成设计、协同工作。水侧经济器提供的制冷量不能满足整机制冷需求时，由压缩机的机械制冷补充。整机系统优先使用经济器制冷，经济器制冷能力不足或环境不适宜经济器工作时才使用压缩机机械制冷。应用水侧经济器时，一般基于制冷设备的进水温度设定水侧经济器工作的临界温度。假设水侧经济器工作的进水临界温度为7.2 ℃（ASHARE 90.1标准给定的环境空气湿球温度临界值），进水温度高于7.2 ℃时，整机系统在标准制冷模式下工作；进水温度不超过7.2 ℃时，整机系统在经济器制冷模式下工作。整机运行经济器制冷模式时，控制模块根据获取的温度参数进行分析计算，确定水侧经济器运行状态以及是否需要补充机械制冷。与空气侧经济器相同，控制算法是水侧经济器的核心，能够影响节能效果。一般需要获取进水温度和回风、送风、换热器表面以及建筑室内空气的温度，并综合考虑以下因素：（1）根据应用需求设定合适的工作临界温度。（2）考虑整机多级制冷系统、变频系统的制冷量和风量变化。（3）考虑换热器的结霜保护。（4）经济器的禁用、运行、待机，整机多级机械制冷的切换和管理。6水侧经济器的性能特点对比冷热风型水源热泵整机和水侧经济器在标准工况下的制冷能力。测试基于ISO 13256—1标准进行，整机的回风干、湿球温度为27 ℃和19 ℃，进水温度为7.2 ℃，使用额定水流量[3]。设置额定风量8.07 m3/min，整机吨位0.75 t，水侧经济器型号为A，探究额定风量下水侧经济器的制冷能力与水流量的关系。冷热风型水源热泵整机和水侧经济器在标准工况下的制冷能力对比如表1所示。额定风量下水侧经济器的制冷能力与流量的关系如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.T001表1冷热风型水源热泵整机和水侧经济器在标准工况下的制冷能力对比项目整机吨位/t0.751.502.50整机额定风量/(m3/min)8.0716.1426.90整机额定水流量/(L/min)9.5519.0931.82整机机械制冷量/kW2.585.518.29水侧经济器制冷量/kW2.615.548.88水侧经济器制冷量与整机机械制冷量的比例/%101.1100.5107.210.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.014.T002表2额定风量下水侧经济器的制冷能力与流量的关系编号水流量/(L/min)水侧经济器制冷量/kW17.732.4629.552.61310.462.69由表1可知，水侧经济器在标准工况下提供的制冷量接近或大于整机机械制冷量。由表2可知，额定风量下，水侧经济器的制冷能力在一定范围内与水流量成正比。水侧经济器可以在标准工况下完全代替整机机械制冷，增加水流量可以进一步提升制冷能力。整机能否达到设计目标与水侧经济器的设计参数有关，需要综合考虑设计限制和性能需求，决定设计方案。7水侧经济器的应用应用水侧经济器时，合理考虑气候条件和应用需求，从而获得良好的经济效益。能源之星网站（https://www.energystar.gov）指出，水侧经济器适用于全年湿球温度低于12.7 ℃的时间超过3 000 h的地区。以美国加州地区为参考，其西部沿海为地中海气候，东部内陆为高原山地气候，东南部为热带沙漠气候，使用水侧经济器的平均投资回报周期为1~4年[4]。数据中心是水侧经济器的典型应用场景，寒冷冬季时，免费制冷的优势得到充分体现。AHSARE HVAC基础知识手册的2005版提到，使用水侧经济器时的制冷成本节约量高达70%[5]。理论层面，水侧经济器同样适用于制热应用，但考虑应用场景和进水条件的限制（如需要采用地下水源，制热应用），应用效果有限且不适合普遍推广。与水侧经济器相关的节能设备还包括空气侧经济器，ASHARE 90.1允许带风机的制冷设备使用两种节能选项中的任意一种。美国加利福尼亚的不同气候区域数据中心使用经济器的研究指出，空气侧经济器的制冷节能效果整体优于水侧经济器，但引入室外干燥寒冷的空气会增加建筑室内的加湿负荷，增加空气被颗粒污染的风险，从而增加电脑设备发生故障的概率；使用水侧经济器可以避免建筑室内的空气被颗粒污染，但在空气湿度较高的环境下制冷效果较差[5]。空气侧经济器应用过程中引入室外空气，需要建筑配置排气装置，保持建筑室内气压稳定；部分空气处理装置安装空气侧经济器的施工较困难，与空调整机的结构布局、进气和排气装置尺寸、空间和位置等因素相关。空气侧经济器安装困难时，考虑应用水侧经济器，无须平衡建筑室内外气压，且通常不涉及空气处理装置改造。冷热风型水源热泵自带水源，优先选用水侧经济器。水侧经济器的实际应用方法和结构形式比文中介绍的内容更丰富多样，文中展示的设计仅是对应ASHARE 90.1标准在北美地区冷热风型水源热泵产品上的典型应用。8结语冷热风型水源热泵机组应用水侧经济器可以有效节约制冷能耗，标准工况下可以完全代替整机机械制冷。施工时，应综合考虑水侧经济器的应用需求和当地气候条件，判断机组是否适合应用水侧经济器，获取最佳经济效益。北美地区将经济器在暖通设备上的应用纳入建筑法规（ASHARE 90.1）。未来国内建筑和暖通设备要求使用节能产品成为发展趋势，可以就各种潜在应用场景进一步研究。