公用設(shè)施中冷水機組冷凝形式的對比分析

孫榮亮，張青，李文靜，閔殿祥

（中國科學院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204）

0 引言

2012年國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》[1]，以推動節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。新建工程項目均以節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟實用為主題?？照{(diào)及工藝冷卻系統(tǒng)作為各種工程項目必備公用設(shè)施，也隨著國家對科研發(fā)展的投入，迎來了新的發(fā)展契機及挑戰(zhàn)。在科研實驗站的搭建中，公用設(shè)施的經(jīng)濟投入、場地規(guī)模、運行費用均占據(jù)很大比例[2]。如何優(yōu)化公用設(shè)施的設(shè)計或優(yōu)化改造已有設(shè)施，可以既滿足主體設(shè)施的需要，又降低成本，已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)摸索探尋的首要問題。

隨著蒸發(fā)式冷凝器的出現(xiàn)，水冷與風冷平分秋色已成歷史；水冷式、風冷式、蒸發(fā)冷式冷水機組已成市場鼎足之勢。蒸發(fā)式冷凝器是將淋灑式排管冷卻器和循環(huán)冷卻塔有機結(jié)合的一種新型冷卻設(shè)備，利用水分蒸發(fā)和空氣強制循環(huán)來帶走凝結(jié)熱量，以冷卻壓縮機排出的高溫高壓過熱制冷劑蒸汽，使之冷凝成液體，集二者優(yōu)點于一體，可廣泛應(yīng)用于石油化工、輕工醫(yī)藥、制冷空調(diào)、食品冷藏等諸多行業(yè)中，適用于大中型制冷裝置中[3]。如圖1所示，蒸發(fā)式冷凝器采用逆流式結(jié)構(gòu)，主要包括風筒、軸流風機、箱體、收水器、布水器、冷卻換熱管組、鋼結(jié)構(gòu)架、風窗、水池、循環(huán)水泵、浮球閥等。其中，冷卻管并聯(lián)使用，換熱面積大，系統(tǒng)阻力小；整體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。荒K化設(shè)計，獨立單元操作，可根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力任意增加或調(diào)整。從節(jié)能環(huán)保及節(jié)約資源方面，三種冷水機組各有優(yōu)劣。冷水機組冷凝形式的選擇，受多因素制約[4]。冷負荷在700 kW ～ 1500 kW范圍內(nèi)的冷凝形式選擇，仁者見仁、智者見智。

本文通過節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、實用四個方面，對風冷、水冷、蒸發(fā)冷三種冷凝方式進行交叉對比分析，探究該負荷范圍內(nèi)哪種系統(tǒng)綜合性價比更高。

圖1 蒸發(fā)冷原理示意圖

1 冷水機組的能效

考慮機組的制冷能力時，首先需要針對機組的壓縮機形式做分析對比（如表 1所示）。中央空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機形式的選擇，通常以制冷量及制冷系數(shù)為主要依據(jù)[5]。近十年來，多機頭并聯(lián)機組和變頻技術(shù)的普及，推動了機組多樣性設(shè)計。渦旋機和活塞機的多機頭并聯(lián)機組，從十幾千瓦到幾百千瓦均有采用；螺桿機和離心機在多變工況時，變頻調(diào)節(jié)也大大提高了能效比。

表1 各種壓縮形式冷水機組的性能對比

1.1 額定負荷能效對比

冷水機組的制冷能力與壓縮機排氣量和蒸發(fā)端換熱效果有直接關(guān)系，而冷凝端的冷凝能力直接決定系統(tǒng)的耗功以及能效比。以圖2制冷循環(huán)壓焓圖為證：任何一種制冷劑在制冷系統(tǒng)運行中，飽和蒸發(fā)溫度、過熱度、過冷度均設(shè)定時，消耗功率(W=h3-h2)隨冷凝壓力升高而增大；單位制冷量(Q=h2-h1)隨冷凝效果減弱而減少，制冷劑循環(huán)量也會隨系統(tǒng)循環(huán)效率降低。依據(jù)制冷劑的特性，兩相區(qū)內(nèi)壓力與飽和溫度一一對應(yīng)，壓縮機排氣壓力隨著冷凝溫度的升高升高，能耗會有所加大，所以冷凝溫度的高低也是決定制冷循環(huán)能耗的重要參數(shù)。

圖2 制冷循環(huán)壓焓圖

依據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012[2]可得標準空調(diào)工況下：水冷式冷水機組設(shè)計冷凝溫度為35℃，蒸發(fā)冷式冷水機組設(shè)計冷凝溫度為40℃，風冷式冷水機組設(shè)計溫度為45℃。由此可知，同冷媒同型號壓縮機所匹配的不同形式冷水機組中，單位制冷量方面水冷式最大，蒸發(fā)冷式其次，風冷式最小；壓縮機耗能方面風冷式最大，蒸發(fā)冷式其次，水冷式最小。但是，系統(tǒng)耗能分析時，不得不考慮除壓縮機以外的動力設(shè)備耗能。

如圖3所示，水冷機組的附屬動力設(shè)備有冷卻水循環(huán)泵及冷卻塔；蒸發(fā)冷式機組有蒸發(fā)式冷凝器（風機及冷卻水泵）；風冷式機組有風冷式冷凝器用風機。在能效比方面，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得出明確經(jīng)驗結(jié)論，通常冷量1500 kW以上大型冷水機組選用水冷式為優(yōu)，冷量500 kW以下小型冷水機組選用風冷式為優(yōu)。冷量在500 kW～1500 kW范圍冷水機組，冷凝形式選擇上往往存在分歧?，F(xiàn)針對冷量為750 kW 中央空調(diào)系統(tǒng)進行能效比對，機組采用麥克維爾單螺桿冷水機組，其中蒸發(fā)冷式冷水機組為本文非標準設(shè)計，機組技術(shù)參數(shù)源自《麥克維爾冷水機組培訓技術(shù)手冊》[6]。

由表2數(shù)據(jù)可知，冷量在750 kW左右的中央空調(diào)綜合能效對比中，水冷式機組較風冷式機組節(jié)能 10.9%；而蒸發(fā)冷式冷水機組較風冷式節(jié)能16.4%，較水冷式節(jié)能6.2%。

實際工作中，冷水機組長年以額定負荷運行的項目非常少。空調(diào)用冷水機組除開機滿負荷外，98%的工作時間負荷率在70%以下[4]；不具備負載調(diào)整能力的機型除外。

圖3 不同冷凝形式冷水機組原理簡圖

表2 三種冷凝形式冷水機組額定負荷能效對比表

1.2 部分負荷能效對比

暖通及制冷項目設(shè)計選型時，設(shè)計者往往會考慮業(yè)主追求設(shè)備最大利用率以及應(yīng)對特殊情況時的設(shè)備負荷余量，選型放大系數(shù)通常為5%～15%[2]。制冷設(shè)備又均以開機時滿負荷運行，維持工況時多以半負荷工作。據(jù)《風冷和水冷式冷水機組的運行能耗分析》[4]結(jié)論，風冷式與水冷式機組部分負荷性能參數(shù) IPLV（源自美國空調(diào)與制冷協(xié)會 1998 ARI 550/590標準[7]）對比中，1050 kW的風冷式機組 IPLV較水冷式大 3.61%。這一微弱優(yōu)勢源自風冷式冷凝器多風機的可調(diào)節(jié)性，使得該負荷領(lǐng)域的風冷式機組年運行能耗較水冷式略低。這也進一步論證了年運行時越長，風冷式較水冷式更節(jié)能這一經(jīng)驗結(jié)論。

采用蒸發(fā)冷式冷水機組的工藝水系統(tǒng)縮小了冷卻水循環(huán)量，風冷與風冷/噴淋結(jié)合的雙級調(diào)節(jié)方式也從細節(jié)上起到了節(jié)能的效果。所以，部分負荷能效對比中，蒸發(fā)冷式機組同樣優(yōu)于風冷式與水冷式。

2 冷水機組的環(huán)境負荷

中央空調(diào)系統(tǒng)為維護空調(diào)空間的溫度與濕度，利用電能及空調(diào)設(shè)備實現(xiàn)了室內(nèi)外能量的搬運及空氣中含濕量控制的同時，中央空調(diào)的機房則會產(chǎn)生一定量的噪聲。從表2中我們可以看到，水冷式機組與蒸發(fā)冷式機組噪聲相對小一些，但是水冷式機組的冷卻水循環(huán)泵也是主要噪聲源之一，立式泵噪聲較小，臥式泵運行噪聲不可忽略。風冷式機組因為其排氣壓力最高，壓縮機的噪聲也很大；一體式風冷冷水機組因其噪聲大，設(shè)備體積龐大，通常設(shè)計成室外型[5]。

除噪聲與對室外環(huán)境換熱外，蒸發(fā)式冷與水冷式機組的冷卻塔對機房附近的大氣環(huán)境也有很大影響。蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)與普通冷卻塔同屬開式水循環(huán)系統(tǒng)，雨水、風、雷電、甚至補水都會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。為控制冷卻水水質(zhì)，現(xiàn)今最流行的維護方式仍然是投藥處理。防垢、防銹、殺菌、除藻等水體問題因為投藥工藝而解決，但投藥后的冷卻水一旦蒸發(fā)，溶液濃度升高，會強烈腐蝕排水管附近的金屬焊接點及零部件（如圖3所示）。

圖3 投藥水系統(tǒng)冷卻塔附近被腐蝕的管道支架及管道排污閥

另外，冷卻塔夏季蒸發(fā)量大，周圍空氣濕度大藻類細菌容易滋生，水處理不當，嚴重時冷卻塔會成為散播致軍團病的載體。若冷卻塔附近有煙囪類排煙設(shè)施，水汽與煙霧混合后也易產(chǎn)生酸霧，威脅到周圍幾百米范圍內(nèi)常駐人員的身體健康。

3 冷水機組的經(jīng)濟性

初投資與運行成本是衡量項目經(jīng)濟性的兩大指標[6]。水冷式機組的冷卻水循環(huán)泵、管材、保溫增加了設(shè)備投資，機房的占地費及項目安裝費在當今城市項目建設(shè)中日益凸出。風冷式機組因為壓縮機功率大，變壓器等配電設(shè)備大；再有風冷冷凝器為銅管鋁翅片結(jié)構(gòu)，銅管使用量大，造價較其他形式冷凝器昂貴。若采用分體式風冷機組，機房占地小，室外安裝占地面積較大；而一體式風冷機組機房占地面積是普通冷水機組的(2～3)倍[8]。蒸發(fā)冷式冷水機組既具備了風冷式的結(jié)構(gòu)簡單，又兼?zhèn)淞怂涫街鳈C占地小的優(yōu)點。隨著蒸發(fā)冷加工工藝的成熟，蒸發(fā)式冷凝器價格比風冷式冷凝器低30%。所以，系統(tǒng)初投資方面，水冷式與風冷式相差無幾，蒸發(fā)冷式冷水機組的單位負荷造價略低。

運行成本方面如表2耗能對比所示，蒸發(fā)冷式冷水機組有一定的優(yōu)勢。由圖3中三種系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)可以看出，蒸發(fā)冷式冷水系統(tǒng)與風冷式冷水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝簡便且工時短，維護保養(yǎng)頻率小費用少；比水冷式機組長年運行費用更穩(wěn)定，年運行時數(shù)越長越經(jīng)濟。水冷式機組經(jīng)統(tǒng)計，年補水量控制在3%以內(nèi)，年度費用較低；長年運行后，水垢附著冷凝器、管路及冷卻塔，年運行費及維護工作量逐年遞增[3]；維護也較復雜，需要專門的維護人員。為維護水冷式機組的使用壽命，必須對冷卻水系統(tǒng)進行緩蝕、阻垢、殺菌、滅藻處理。冷量1000 kW左右的水冷式機組，若采用投藥式處理，年投藥費用在5萬左右。蒸發(fā)式冷水機組冷卻水循環(huán)量相對小，維護費用也相對少一些?？傊谥行涂照{(diào)系統(tǒng)中水冷式機組的冷量大，功率小的優(yōu)點難以體現(xiàn)。

此外，蒸發(fā)冷式冷水機組與水冷式冷水機組的使用壽命為 20年左右，風冷式冷水機組平均使用壽命約為15年。

4 冷水機組的實用性

水冷式冷水機組受冷源約束，適用于水源較充足，水體礦物質(zhì)含量小，長年風沙量小的地域。為保護冷卻水水質(zhì)、周圍建筑及人群的安全，要求遠離工業(yè)煙囪和鍋爐煙囪。冷卻水循環(huán)管路需設(shè)施保溫，夏季保證冷卻效果，冬季防止水管凍裂。冷卻塔雖然換熱量大，結(jié)構(gòu)簡單，但是在我國南方地區(qū)，夏季室外環(huán)境濕球溫度偏高，空氣含濕量大，夏季換熱效果會大打折扣，隨之冷凝溫度升高，機組功率呈線性升高（如圖2），需適當考慮冷水噴淋等補冷措施。水冷式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，只有用于較大型空調(diào)系統(tǒng)中才能發(fā)揮其制冷量大，能效比高的優(yōu)點。

風冷式冷水機組最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強，風冷式機組以空氣為換熱源，不懼風沙也不受水源限制。北方地區(qū)因其冷凝端冬季不需要考慮防凍而廣泛應(yīng)用。風冷式機組依據(jù)卡諾循環(huán)的原理，在南方多利用四通閥做成空氣源熱泵機組?？諝庠礋岜脵C組夏季不懼怕濕球溫度高，冬季可向室內(nèi)供暖；冬季供暖屬于高效低能式運行，彌補了夏季耗電量高的缺點。

蒸發(fā)冷式冷水機組結(jié)構(gòu)形式性能特點，介于水冷式與風冷式之間，既有冷水式機組的低冷凝溫度，又有風冷式機組結(jié)構(gòu)簡單易安裝等特點。蒸發(fā)冷式機組適用于水源較稀缺，長年風沙量小的地域。北方深秋季節(jié)可以將蒸發(fā)冷循環(huán)水放掉，并加以保溫措施以防止水泵凍裂，冷凝形式變?yōu)轱L冷。由于蒸發(fā)冷管程內(nèi)為高溫高壓制冷劑，南方夏季濕球溫度偏高的問題對其影響不大。即便是梅雨季節(jié)，蒸發(fā)冷也能很好的保證冷凝效果。早在 2000年左右，蒸發(fā)式冷凝器就以其特有的結(jié)構(gòu)形式及換熱性能贏得了冷庫市場的青睞。隨著近年來中國制冷行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)蒸發(fā)式冷凝器已經(jīng)解決了材質(zhì)及換熱效率等匹配優(yōu)化問題，市場價格已不再是用戶的主要考慮問題。

5 結(jié)論

綜上，中央空調(diào)或其它工藝冷卻系統(tǒng)在不同冷凝形式冷水機組的采用時，可以考慮本文結(jié)論：

1) 冷量需求大且有固定水源供應(yīng)時，大型水冷式冷水機組仍是公用設(shè)施的不二選擇，過渡季節(jié)利用冷卻塔與板式換熱器配合也可以降低水冷式系統(tǒng)的能耗；

2) 冷量需求偏小的供冷系統(tǒng)，不分地區(qū)與環(huán)境，采用風冷式冷水機組綜合性價比最優(yōu)；

3) 冷負荷在700 kW ～ 1500 kW的中大型冷水系統(tǒng)中，采用蒸發(fā)冷式冷凝的冷水機組，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠穩(wěn)定、初投資低、能效比高、適應(yīng)環(huán)境力強、占地面積小等優(yōu)點表現(xiàn)出更為優(yōu)越的市場前景。

總之，不同冷凝形式冷水機組的設(shè)計與建設(shè)時，受到能耗、環(huán)保、成本、實用性等客觀因素的制約，具體結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有絕對性，只有性價比的更優(yōu)化，再經(jīng)過與建筑結(jié)構(gòu)，電氣控制，安全防護等專業(yè)的有機配合，才能更好的保護投資方的利益。公用設(shè)施水、風、電系統(tǒng)建設(shè)需要大膽創(chuàng)新，不斷的優(yōu)化設(shè)計，才能夠更好的輔助主體機構(gòu)的運行與需求。

[1] 國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知[EB/OL]. (2011-09-07). http://www.gov.cn/zwgk/2011-09/07/content_1941731.htm.

[2] GB 50736-2012, 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2012.

[3] 吳繼紅, 李佐周. 中央空調(diào)工程設(shè)計與施工[M]. 北京:高等教育出版社, 2001.

[4] 丁云飛, 冀兆良. 風冷和水冷式冷水機組的運行能耗分析[J]. 制冷, 1999, 18(4): 76-79.

[5] 余江海, 陸震, 范林. 蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題探討[J]. 制冷技術(shù), 2001,21(2)33-36.

[6] McQuay Air Conditioning. 麥克維爾冷水機組培訓技術(shù)手冊[M]. 2012.

[7] A R I. Standard 550/590-98: Water Chilling Packages using the Vapor Compression Cycle[J]. Air-conditioning and Refrigerating Institute, Arlington, VA, USA, 1998.

[8] 岳孝芳, 陳汝東. 制冷技術(shù)及應(yīng)用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 1992.