溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中三種高溫冷源的分析研究

■張競予，強天偉，孫 婧 ■西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)需要的冷源溫度遠(yuǎn)高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)［1］，由于不承擔(dān)除濕的任務(wù)，冷水溫度可以從常規(guī)系統(tǒng)的5～7℃提高到16～18℃，這就為很多自然冷源的使用提供了條件，如通過土壤源換熱器獲取冷水、在某些干燥地區(qū)通過直接蒸發(fā)冷卻或間接蒸發(fā)冷卻方式獲取冷水等。當(dāng)自然冷源無法利用時，可通過人工即機械制冷方式滿足溫度控制系統(tǒng)的冷源需求。本文選取常規(guī)制冷機組、高溫制冷機組和蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組三種冷源進行分析。

1 常規(guī)制冷機組

在相同的冷凝溫度條件下，隨著蒸發(fā)溫度的提高，逆卡諾循環(huán)的COP 顯著升高。溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)只需制備16～18℃的冷水即可滿足室內(nèi)溫度控制的要求，與制備7℃冷水的常規(guī)制冷機組相比，制冷機組的蒸發(fā)溫度明顯升高。當(dāng)冷凝溫度均為37℃時，常規(guī)低溫出水工況下逆卡諾循環(huán)的COP 為9，而在高溫出水工況下，逆卡諾循環(huán)的COP 可達到13，遠(yuǎn)高于低溫出水工況的冷機性能系數(shù)。

常規(guī)制冷機組的額定出水工況為5～7℃，若將其直接運行在16～18℃的高溫出水工況會對機組產(chǎn)生以下影響:(1)當(dāng)冷凝溫度不變，蒸發(fā)溫度提高后，制冷循環(huán)的壓縮比顯著降低，對螺桿式和渦旋式等固定內(nèi)容積的壓縮機，會導(dǎo)致較大的過壓縮損失。(2)當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時，對吸氣容積固定的壓縮機，系統(tǒng)制冷劑流量增加，系統(tǒng)容量也同比增加，這就要求蒸發(fā)器、冷凝器的換熱量增大。而過大的系統(tǒng)容量將導(dǎo)致供需失配和壓縮機電機的過載，影響制冷機的安全運行。(3)系統(tǒng)壓差的減小和壓縮機制冷劑流量的增加，需要系統(tǒng)的膨脹閥開度顯著增加;如果采用常規(guī)低溫冷水系統(tǒng)原有的膨脹裝置用于生產(chǎn)高溫冷水，將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)過熱度增大，系統(tǒng)效能不能全面發(fā)揮。此外，冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓縮比降低，將影響制冷機組的回油。

綜上，出于對機組安全運行的考慮，常規(guī)制冷機組一般限定冷凍水出口溫度不高于12～14℃，難以在高溫出水工況下保持較優(yōu)的性能。

2 高溫制冷機組

高溫制冷機組產(chǎn)生16～18℃的高溫冷水，其最大的特點是使機組處于小壓縮比工況下運行，例如對離心式壓縮機可通過調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉并調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速來滿足要求。對于常規(guī)制冷機組而言，當(dāng)冷凝溫度tk 為36～40℃，蒸發(fā)溫度t0 為3～5℃時，R22 蒸汽壓縮式制冷機組的壓縮比為2.3～2.8;如果取t0 為14～16℃來設(shè)計高溫制冷機組，R22機組對應(yīng)的壓縮比降為1.7～2.0。

此外，在小壓縮比下，節(jié)流裝置前后的冷媒壓差顯著減小，需要較大容量的節(jié)流裝置在小工作壓差下依然能保持很好的調(diào)節(jié)性能;蒸發(fā)器和冷凝器應(yīng)選擇大容量、高效換熱器，可以從提高換熱系數(shù)或增加傳熱面積方面提高蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱能力;回油系統(tǒng)應(yīng)保證在小壓縮比的工況下，系統(tǒng)能實現(xiàn)可靠的回油。

選取兩臺額定冷量為4000kw 的格力機械制冷機組為例進行對比分析。

由表可得，當(dāng)常規(guī)制冷機組直接用于制取高溫冷水時的性能要明顯低于經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的高溫制冷機組。常規(guī)制冷機組在制取16℃和18℃冷水的的COP 分別為6.80 和7.05，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的高溫制冷機組運行在這兩種工況下的性能分別提高了26%和30%，機組性能得到明顯改善。

表1 兩種機組在不同出水溫度時的性能測試結(jié)果

3 蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組

該機組可以充分利用室外干空氣能來達到節(jié)能的目的，在中濕度地區(qū)夏季采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取的高溫冷水并不能達到溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中16～18℃高溫冷水的要求，所以將其與機械制冷結(jié)合起來，即利用蒸發(fā)冷卻制取的高溫冷水與機械制冷制取的7℃冷水混合來得到滿足顯熱末端溫度控制要求的冷水［2］。機組結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)在室外空氣狀態(tài)下用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取的高溫冷水大于16～18℃不能滿足要求時，同時開啟蒸發(fā)冷卻段與機械制冷段，將兩種不同溫度的冷水按照一定比例混合來得到16～18℃的高溫冷水。

而當(dāng)室外空氣狀態(tài)滿足要求即只需開機組的蒸發(fā)冷卻段就能制取滿足要求的高溫冷水時，則關(guān)閉機械制冷段，像在中等濕度地區(qū)的過渡季節(jié)大部分時間僅需開啟蒸發(fā)冷卻段就可制取18℃以下的冷水。

查《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，根據(jù)西安地區(qū)的室外氣象條件統(tǒng)計6、7、8、9 月份制取18℃冷水時機組的運行情況，得機械制冷段和蒸發(fā)冷卻段同時運行的時間占總運行時間的56.9%;僅運行蒸發(fā)冷卻段的時間占總運行時間的43.1%。

以西安某建筑為例對蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組進行設(shè)計計算［2］，將計算結(jié)果列于下表。

表2 蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組的能效比分析

整個運行期的COP=4.3 ×56.9% +13.4 ×43.1%=8.22

由上表可得，蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組在兩種運行模式下，機組的能效比都要遠(yuǎn)大于常規(guī)制冷機組的能效比，在蒸發(fā)冷卻段與機械制冷段同時運行時該機組相對于常規(guī)制冷機組能效比提高了43.8%，而在蒸發(fā)冷卻段單獨運行時其能效比甚至提高了3 倍多。室外氣象條件允許蒸發(fā)冷卻段單獨運行時間占整個空調(diào)運行期的比例越大，整個機組的能效比越高，節(jié)能性越好。

4 結(jié)論

本文對三種溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中的高溫冷源做了分析，常規(guī)制冷機組系統(tǒng)由于受到機組各部件的限制并不能在高溫出水工況下保持較優(yōu)的性能。高溫制冷機組對壓縮機及機組各部件進行改進，制取高溫冷水時機組的能效比得到很大提高。

由于蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用自然資源干空氣能來制冷，其節(jié)能性必然遠(yuǎn)高于常規(guī)制冷機組，所以在中濕度地區(qū)充分利用室外干空氣能采用蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組作為溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的高溫冷源，具有很大的節(jié)能潛力。

［1］劉曉華，江億，張濤.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013:137，147 -153.

［2］孫鐵柱.蒸發(fā)冷卻與機械制冷復(fù)合高溫冷水機組的研究［D］.西安:西安工程大學(xué)，2009.