利用热泵技术提取冷水中的相变潜能,可以解决热泵系统热源受限问题,可以缓解暖通空调带来的能源消耗和环境污染问题。但是冷水相变能热泵系统仍有两大关键问题有待解决,一是相变换热器连续不断的结冰排冰过程中的传热特性问题,二是热泵系统实际应用过程中的运行效率问题。为此对冷水相变能热泵系统运行过程中的传热特性,运行效率、能耗特性、节能性以及经济性做了相关研究,为工程应用设计提供数据参考。主要研究内容结果如下:首先,为研究相变换热器非稳态传热过程中影响传热性能的因素,分析了相变换热器连续结排冰条件下准稳态假设的合理性,建立了冷水与中介水侧对流主导前提下的相界面能量守恒方程,利用无因次化解析得到换热器的冰层厚度的准则公式和冰层生长规律;定义了相变换热器凝固传热系数,利用无因次冰厚,推导出相变换热的瞬时与时均换热计算关联式。分析表明:相变换热器的传热性能不仅与两侧流体的传热温差、流量有关,还与冰层厚度以及冰层质地有关。然后,针对不同运行工况下的热泵系统的传热性能,结合实际工程搭建实验台,观察分析了冰层的宏观生长过程,计算了各工况条件下的瞬时传热系数和换热量,并进一步分析了运行工况对换热器传热性能的影响程度。实验结果表明:实验与理论分析结果一致,冷水流量、中介水流量、冰层厚度分别通过影响冰层质地、换热温差、传热热阻进而影响换热器传热性能;换热器传热系数呈周期性变化,冰层未形成阶段,传热系数保持在0.54kW/(m2·K)左右;冰层形成阶段,传热系数先增大后减小,最大传热系数在0.64kW/(m2·K)左右,平均传热系数在0.57kW/(m2·K)左右。其次,为明确热泵系统的系统效率和运行能耗,对供暖季和供冷季最不利工况下的机组及系统效率进行了计算分析,并与传统供暖供冷系统进行节能环保效益比较。结果表明,冷水相变能热泵系统在供暖和供冷季皆运行稳定,供暖季系统性能系数COPs在2.76左右,供冷季系统性能系数EERs在3.46左右,与传统的供热供冷系统相比,一次能源利用率为1.06,节能效率可达38%,具有较高的节能性和环保性。之后,针对冷水相变能热泵系统建立系统经济性评价标准,将冷水相变能热泵系统与直燃机组系统、空气源热泵系统、市政集中供热+冷水机组、燃煤锅炉+冷水机组进行系统初投资费用和系统运行费用的定量比较。结果表明,冷水相变能热泵系统与传统供热供冷系统相比,初投资费用可节省15%～35%,年运行费用可节省35%～50%,市场应用前景广阔。最后,以济青高铁红岛清洁能源站为工程基础设计冷水相变热泵(主导)+谷电储能+空气源热泵的多源耦合供热供冷系统,并对系统运行效率、节能环保性和经济性进行评估分析,分析结果表明:冬季供暖时系统平均COPs在3.0左右;供冷时系统平均EERs在3.7左右,具有较高的运行效率;该系统初投资费用在74元/m2左右,年平均运行费用为33元/m2,较传统供暖供冷系统可降低初投资25%左右,降低年运行费用40%左右,节省标煤2801.85吨/年,节能率达41.2%。该系统的推广和应用对解决我国北方水资源匮乏地区的供暖供冷问题具有重要的现实意义。