空調(diào)冷凍水溫的選擇及節(jié)能效果研究

賴文彬

(廣東省建筑設(shè)計研究院，廣州510010)

1 前言

隨著建筑體的增大，空調(diào)系統(tǒng)的管路越長，冷凍水的輸送能耗就越大，為了控制系統(tǒng)的輸送能耗，在現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范對系統(tǒng)的輸送能耗有了很明確的規(guī)定，設(shè)計師為了實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時也為了能滿足設(shè)計規(guī)范的要求，在大型公共建筑中冷凍水采用大溫差已經(jīng)是屢見不鮮的事了，也似乎成了一種常態(tài)。實際上，是不是每個系統(tǒng)都適合采用大溫差的系統(tǒng)?是不是采用大溫差的系統(tǒng)就是一定節(jié)能?同時采用多大的溫差系統(tǒng)才能滿足或達到最終的節(jié)能目的?在此筆者認為設(shè)計師在做系統(tǒng)設(shè)計時有必要進行分析。

2 冷凍水系統(tǒng)輸送能耗分析

筆者統(tǒng)計了幾個典型的項目來分析空調(diào)系統(tǒng)中各部分的能耗比例 (見表1)

表1 空調(diào)系統(tǒng)能耗比例

從表1我們可以發(fā)現(xiàn):按常規(guī)的5℃溫差設(shè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，冷凍水泵的能耗均在10%，8℃溫差設(shè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，冷凍水泵的能耗在7.7%。很據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189的規(guī)定:冷凍水系統(tǒng)輸送能效比:

ER=0.002342H/(△t.η)≤0.0241

一臺軸功率為160kW的水泵，其效率可達86%，如果冷凍水仍采用5℃溫差，這時揚程最多只有440 kPa。顯然在大型的建筑中，這個揚程無法滿足使用要求，同時水泵占的能耗比例也會相應的增加，而水泵的效率難以再提高，這時就要提高供回水溫差。

在此之前，有人做過分析:只有在水泵揚程大于31.7m時，實施10℃大溫差系統(tǒng)才有節(jié)能的效果［1］。然而筆者認為，在不考慮末端設(shè)備的情況下，我們不懷疑這個結(jié)果的正確性，然而對于整個系統(tǒng)來說，冷凍水溫度的變化，對末端設(shè)備的出力能力會帶來影響，同時也就影響到能耗。筆者認為，我們有必要結(jié)合末端設(shè)備的性能對冷凍水溫度及溫差做綜合的分析。

3 冷凍水溫分析

3.1 冷凍水出水溫度及溫差對冷水機組效率的影響

冷凍水系統(tǒng)的出水溫度取決于末端設(shè)備的熱、濕負荷的需求和制冷機組的效率。在廣州地區(qū)，濕度較大，冷凍水溫不能設(shè)得太高。但冷凍水溫設(shè)得太低，制冷機組的制冷效率又降低。

筆者以7034kW(2000RT)的離心機組為例分析溫差及出水溫度對主機效率的影響:圖1為冷水機組冷卻水溫恒定在32/37℃時，各冷凍水溫的機組效率曲線。

圖1 幾種冷凍水工況下某大型主機廠家提供的效率曲線

從圖中可發(fā)現(xiàn):冷凍水溫為6/13℃、6/14℃、6/16℃時制冷機組的效率曲線是重疊的，4/14℃、4/9℃時制冷機組的效率曲線是重疊的，9/14℃時機組的效率明顯高于其它兩條曲線。這表明制冷機組的效率與出水溫度關(guān)系緊密，出水溫度越低，效率越低，但與溫差沒有直接的關(guān)系?；厮疁囟燃斑M出水溫差對效率影響很小。同樣是雙程管、10℃溫差的主機，出水溫度從6℃下降到4℃，效率下降了12.7%。所以，我們應盡量提高冷凍水的出水溫度。

3.2 冷凍水出水溫度及溫差在水泵側(cè)的節(jié)能效果

對水泵作總體的分析:

式中:

N—軸功率，kW;

L—流量，m3/s;

P—壓頭，kN/m2;

η—泵的效率

假定泵的壓頭和效率在各溫差下一致，則:

式中:

Q—熱量，kW;

△t—冷凍水進出水溫差，℃

也就是說水泵的軸功率與溫差成反比，溫差為8℃時比溫差為5℃時水泵節(jié)省了37.5%，溫差為10℃時比溫差為5℃時節(jié)省了50%。而事實上，由于牽涉到系統(tǒng)的平衡問題，大溫差時我們有必要對管路中的比摩阻進行控制，大溫差時系統(tǒng)的阻力會較小溫差時更低，當然水泵的效率也會有所變化，但綜合兩者的變化，通過水泵的選型，我們發(fā)現(xiàn)水泵的節(jié)能率將大于37.5%和50%，整個系統(tǒng)的節(jié)能率將大于3.7%和5%。

3.3 室內(nèi)負荷對冷凍水溫度的影響

我們以廣州某圍護結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻的辦公建筑為例來分析末端空調(diào)負荷對水溫的要求。

該項目位于廣州市區(qū)，外圍護結(jié)構(gòu)為純玻璃幕墻，其中塔樓標準層的逐時負荷由計算可知:室內(nèi)總熱量為83.6kW，余濕量為21.7g/s，要求室內(nèi)空氣狀態(tài)為:室內(nèi)溫度 tn=25℃，相對濕度為55%，新風量為4000m3/h。采用全空氣系統(tǒng)，一次回風處理，露點送風 (90%)。

冷凍水需要的初始水溫:

式中:

tg1、tg2—空氣初、終干球溫度;℃

tw1—冷凍水初溫;℃

Eg—表冷器全熱交換效率

假定水流速:

ν=1.2m/s。我們通過選擇一標準的 (JW型)水冷式表冷器作為計算型號。通過熱工計算可得出:系統(tǒng)選用JW型水冷式表面冷卻器4排管、迎面風速為2.37m/s時冷凍水的初始水溫和終溫為 (具體的計算步驟及方法參考文獻 ［2］，由于篇幅較長，這里就不逐一列出):

冷凍水初溫:tw1=6.54℃，

終溫:tw2=11.19℃，

溫差△t=4.65℃，

選取表冷器實際處理能力Q=129.2kW。

這就證明在室內(nèi)散濕量不大的情況下，空調(diào)冷凍水出水溫度在6.85℃以下，即可滿足對室內(nèi)空氣的處理要求。

如果選用JW型水冷式表面冷卻器6排管，則迎面風速變?yōu)?.30m/s，冷凍水的初始溫度將升高到10.63℃，即:

冷凍水初溫:tw1=10.63℃，

終溫:tw2=15.28℃，

溫差△t=4.65℃，

選取表冷器實際處理能力Q=129.2kW。

由此可知增加表冷器的排數(shù)，可以提高冷凍水的供水溫度，但供回水溫差及處理能力仍保持一致。

如果室內(nèi)的熱濕比增大，如上面的案例顯熱量增大20%，散濕量不變，則冷凍水初始溫度變?yōu)?tw1=11.2℃即能滿足要求。

從分析的過程我們可以知道盤管型號固定后，顯熱量越大，冷凍水需要的初始溫度就越高。

還是用上面的案例，我們再來做一組計算:

當風量、空氣的初始參數(shù)、冷凍水的供水溫度確定時，選用JW型水冷式表面冷卻器6排管，水終溫及處理能力 (具體的計算步驟及方法參考文獻 ［2］):

當冷凍水初溫tw1=6℃，初始計算溫差為△t=5℃時:

選型校核計算結(jié)果:

水終溫tw2=12.6℃，

實際處理能力Q=170.4kW。

當冷凍水初溫tw1=6℃，初始計算溫差為△t=10℃時:

選型校核計算結(jié)果:

水終溫tw2=16.5℃，

實際處理能力Q=136.0kW。

顯然，當風量一定時，冷凍水的溫差增大，表冷器的產(chǎn)冷量下降，要保持產(chǎn)冷量勢必要加大表冷器的排數(shù)或增大翅片的密度，而兩者均會加大末端設(shè)備的風路的阻力，從而加大風系統(tǒng)的耗功。

在以上計算的過程和結(jié)果中，我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個問題:

(1)如果把空氣處理至90%的相對濕度時，選用6排的表冷器即能滿足要求，但把空氣處理至95%的相對濕度時，則需選擇8排的表冷器才能滿足要求。

(2)增加表冷器的排數(shù)，可以提高冷凍水的供水溫度，但供回水溫差仍基本保持一致。

(3)如果室內(nèi)負荷的熱濕比加大時，所需送風量加大，需要冷凍水的初始溫度升高。

(4)當風量一定時，冷凍水的溫差增大，表冷器的產(chǎn)冷量下降，如果要保持制冷量不變，則需增加盤管的排數(shù)或片距。

以上的分析結(jié)果及過程中發(fā)現(xiàn)的問題均表明:冷凍水所需要的出水溫度及最大溫差決定于末端負荷特性及表冷器的處理能力和空氣的最終處理目的。

4 風系統(tǒng)的能耗分析

我們查看表冷器的空氣阻力可以發(fā)現(xiàn):仍以JW型盤管為例，迎面風速在2.5m/s時，當盤管排數(shù)由6排增加到8排，干冷空氣阻力將由82.2Pa增大到117.2Pa，增加了42.6%。濕冷空氣阻力將由 170.5Pa增加到 213.8Pa，增加了25.4%。水側(cè)阻力增加了39%。也就是說僅因為風系統(tǒng)的能耗加大就使整個系統(tǒng)的能耗增大的幅度超過6%和3.8%，顯然這個數(shù)和前面計算得出的水泵節(jié)能率相差無幾，再加上水側(cè)阻力的增大將會導致整個系統(tǒng)的總能耗更大。

5 結(jié)論

總結(jié)以上的分析，我們得到以下結(jié)論:

1)提高冷凍水溫，主機能耗降低，末端設(shè)備的能耗增加;

2)加大冷凍水溫差，水泵的能耗降低，末端設(shè)備的能耗增加。在實際的選型中，如果因為水溫的變化導致表冷器的排數(shù)增加或風量的加大，則系統(tǒng)未必節(jié)能，甚至加大能耗。

所以筆者認為:冷凍水的最低出水溫度和最大溫差取決于末端負荷的特性及末端設(shè)備的選型。系統(tǒng)的節(jié)能效果應根據(jù)末端負荷的特性綜合分析計算主機、水泵及末端設(shè)備的能耗，尋求出一個最節(jié)能的溫度點，系統(tǒng)才能真正的節(jié)能。提高主機冷凍水的出水溫度及加大進出水溫差并不一定能降低整個系統(tǒng)的能耗。

［1]周亞素，陳沛霖.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)大溫差設(shè)計的能耗分析［J］.建筑熱能通風空調(diào)，1999，(2):18－19

［2]趙義榮，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié) (第三版)［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，1994，11