帶冷卻塔預(yù)冷制冷機(jī)房與常規(guī)制冷機(jī)房的比較分析

謝愛(ài)霞，蔣小強(qiáng)

（廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江 524025）

近年來(lái)，許多地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)高溫，江湖水溫度也不斷攀升。對(duì)于地表水水源制冷機(jī)房而言，高溫水源冷卻水直接進(jìn)入冷水機(jī)組工作，將導(dǎo)致冷凝溫度升高，冷凝壓力上升，從而導(dǎo)致制冷機(jī)工作效率大幅度下降。如何有效降低高溫水源工況下的制冷機(jī)房總能耗，是當(dāng)前空調(diào)行業(yè)有待解決的問(wèn)題之一。

許多研究表明，降低冷凝溫度能有效提高制冷機(jī)的能效比。而降低冷凝溫度，將依賴于冷卻水溫度的降低[1-3]。如果先對(duì)高溫水源的水進(jìn)行預(yù)冷，然后再將冷卻后的冷卻水送入冷水機(jī)組工作，將有可能避免冷水機(jī)組的工作能效下降。預(yù)冷的方式很多，在本文中主要考慮采用冷卻塔進(jìn)行預(yù)冷。采用這種預(yù)冷方式，雖然降低冷卻水溫度提高了制冷機(jī)工作效率，但相對(duì)無(wú)預(yù)冷的制冷機(jī)房卻增加了冷卻塔能耗，對(duì)于總能耗而言，是否節(jié)能，還有待進(jìn)一步分析。為了探明預(yù)冷制冷機(jī)房的節(jié)能性，本文將從效率的角度，對(duì)常規(guī)制冷機(jī)房和新型預(yù)冷制冷機(jī)房的值進(jìn)行比較分析。

圖1 制冷循環(huán)示意圖

式中h1，h2，h3，h4分別為循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的比焓，kJ/kg；s1，s2，s3，s4分別為循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的比熵，kJ/（kg?K）；Tw，cd為冷卻水溫度，K；Tw，ev為冷凍水平均溫度，這里取283.15K。

2 水源溫度變化對(duì)冷凝溫度的影響

通過(guò)對(duì)冷凝器的換熱過(guò)程進(jìn)行分析和建立模型[5]，可知冷凝溫度的表達(dá)式如下：

顯然，在熱負(fù)荷和冷卻水流量值固定不變時(shí)，制冷劑冷凝溫度將與冷卻水進(jìn)水溫度呈正比關(guān)系，且上升或下降的幅度相一致。

3 水源制冷機(jī)房的分析

根據(jù)前期預(yù)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水源溫度超過(guò)33℃時(shí)，帶冷卻塔預(yù)冷的水源機(jī)房總能耗比未經(jīng)預(yù)冷的機(jī)房總能耗小。故在這里，將以水源溫度分別在33℃和36℃時(shí)，預(yù)冷和不預(yù)冷的制冷機(jī)房效率進(jìn)行分析，根據(jù)表1可知33℃和36℃的冷卻水經(jīng)過(guò)冷卻塔冷卻后 （風(fēng)機(jī)的相對(duì)風(fēng)量為名義風(fēng)量的70%），水溫分別降為31.75℃和34.64℃。故表1中將包括四種工況下的制冷循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)值。

表1 水源機(jī)房制冷循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

根據(jù)表1中所示四種工況下的循環(huán)點(diǎn)參數(shù)和上述計(jì)算公式，可算出制冷循環(huán)各階段的的損失和效率 。

表2 制冷機(jī)房的效率分析

表2 制冷機(jī)房的效率分析

水源溫度 33℃ 36℃未預(yù)冷 預(yù)冷 未預(yù)冷 預(yù)冷Tw，cd 33℃ 31.75℃ 36℃ 34.64℃所占比例（%）所占比例（%）所占比例（%）所占比例（%）輸入壓縮功images/BZ_68_410_1749_453_1815.png（kJ/kg） 27.877 — 26.743 — 30.311 — 29.175 —輸出冷量images/BZ_68_410_1749_453_1815.png（kJ/kg） 12.983 — 12.405 — 14.307 — 13.718 —壓縮過(guò)程images/BZ_68_410_1749_453_1815.png損（kJ/kg） 2.541 9.12 2.317 8.67 3.030 10.00 2.770 9.49冷凝過(guò)程images/BZ_68_410_1749_453_1815.png損（kJ/kg） 5.004 17.95 4.905 18.35 5.077 16.75 5.036 17.26節(jié)能過(guò)程images/BZ_68_410_1749_453_1815.png損（kJ/kg） 4.317 15.48 3.220 12.04 6.001 19.80 5.233 17.94蒸發(fā)過(guò)程images/BZ_68_410_1749_453_1815.png損（kJ/kg） 3.032 10.88 3.895 14.57 1.896 6.26 2.417 8.28總images/BZ_68_410_1749_453_1815.png損（kJ/kg） 14.894 53.43 14.565 53.61 16.003 52.80 15.456 52.98循環(huán)images/BZ_68_410_1749_453_1815.png效率（%） 46.573 — 46.388 — 47.202 — 47.021 —

根據(jù)表2所示，對(duì)于溫度34℃和36℃的冷卻水，在其預(yù)冷后進(jìn)入制冷機(jī)房工作，可以提高制冷循環(huán)效率0.2%左右。但這里沒(méi)有考慮冷卻塔預(yù)冷過(guò)程的損失。下面將分析下冷卻塔的損。

根據(jù)對(duì)制冷機(jī)房的能耗進(jìn)行模擬，可以得到將溫度為 34℃和 36℃的冷卻水冷卻至 31.75℃和34.64℃，需要消耗冷卻塔的能耗均為5.44kW，此時(shí)制冷機(jī)房生產(chǎn)冷量均為1195.78kW。根據(jù)表2和式（11）、（12），可計(jì)算不同情況下的制冷機(jī)房能耗，見(jiàn)表3。

制冷量：

輸入功率：

由表3可知，在水源溫度分別為34℃和36℃時(shí)，采用預(yù)冷的工作模式，相對(duì)直接供冷卻水的工作模式可分別降低總功率5.11kW和5.88kW。

表3 制冷機(jī)房的總能耗分析

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高溫水源下，對(duì)冷卻水預(yù)冷和未預(yù)冷模式下制冷主機(jī)循環(huán)火用效率進(jìn)行比較分析，可以看出，高溫水源在預(yù)冷后，能提高制冷循環(huán)火用效率約0.2%左右，這說(shuō)明預(yù)冷模式可實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房總能耗的降低；通過(guò)比較不同工作模式下的制冷機(jī)房設(shè)備功率，可看出節(jié)能效果將隨水源溫度的高低和變頻冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量有關(guān)，水源溫度越高節(jié)能效果越高，存在一最佳風(fēng)量使得節(jié)能效果最為明顯。

[1] 莊友明.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的分析及能耗比較.暖通空調(diào)，2006，36（6）：104-107

[2] 鄭賢德.制冷原理與裝置 （第二版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[4] W.P.Bahnfleth，E.Peyer，Comparative analysis of variable and constant primary flow chilled-water-plant performance，Heating，Piping，Air Conditioning Engineering 73（2001）4：41 50

[5] Jin xq，Du zm，Xiao xk.Energy evaluation of optimal control strategies for central VWV chiller systems.Applied thermal engineering.2007，（27）5-6：934-941

[6] ZhenjunMa，Shengwei Wang.Energy efficient control of variable speed pumps in complex building central air-conditioning systems[J].Energy and Buildings，2009，41（2）：197-205

[7] J.M.Gordon，K.C.Ng，H.T.Chua，C.K.Lim，How varying condenser coolant flow rate affects chiller performance：thermodynamic modeling and experimental confirmation，Applied Thermal Engineering，20（2000）：1149 1159

[8] S.T.Taylor，Degrading chilled water plant delta-T：causes and mitigation，ASHRAE Trans.108（2002）1：641-653

[9] Hartman，Designing efficient systems with the equal marginal performance principle，ASHR AE J.47（2005）7：64 70

[10] Hartman，All-variable speed centrifugal chiller plants，ASHR AE J.43（2001）9：43 52

[11] F.W.Yu，K.T.Chan.Environmental performance and economic analysis of all-variable speed chiller systems with load-based speed control.Applied Thermal Engineering，29（2009）：1721 1729