蒸發(fā)式冷凝機組的性能分析

朱金鳴 曾振威

蒸發(fā)式冷凝機組的性能分析

朱金鳴1曾振威2

1江蘇省蘇中建設集團股份有限公司上海建筑設計分公司
2深圳市拓普威機電設備工程有限公司

通過對蒸發(fā)式冷凝機組和水冷機組的制冷性能和耗水分析，認為蒸發(fā)式冷凝機組在小冷量（≤528kW）區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)效率占有優(yōu)勢，在大冷量（＞1163kW）區(qū)間則水冷機組系統(tǒng)占優(yōu)。兩者均基于水的蒸發(fā)散熱則兩者的冷卻水蒸發(fā)量應該一致，但蒸發(fā)冷凝機組的飄逸和排污損失大于常規(guī)的冷卻塔，導致前者的耗水量更大。

蒸發(fā)式冷凝機組水冷機組制冷性能耗水

0 引言

蒸發(fā)式冷凝器以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，利用水的蒸發(fā)潛熱帶走汽態(tài)制冷劑的冷凝熱。與通過顯熱交換帶走冷凝熱的風冷機組相比，它有效降低了冷凝溫度而獲得較高的制冷效率。而與水冷冷凝器相比，由于將冷凝器和冷卻塔合二為一，省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段，整體換熱效率提高，也能降低冷凝溫度，且節(jié)約了冷卻泵和冷卻塔的能耗。綜合以上幾點，從系統(tǒng)上分析蒸發(fā)式被認為是最高效和最節(jié)能的冷凝方式而獲得專家和用戶的青睞。

通過對一些廠家的技術參數(shù)進行了一系列分析與比較，筆者認為在大冷量區(qū)間內(nèi)目前蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的整體能耗還是比常規(guī)的水冷機組差，這個可能是由于雖然解決了冷凝器的問題，但在機組其它組件如壓縮機、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置及其控制系統(tǒng)還存在很大的優(yōu)化空間與提高。

1 對水冷機組和蒸發(fā)冷凝機組制冷性能的分析

[1]列出了兩者機組的主要性能數(shù)據(jù)如表1。

表1 水冷機組和蒸發(fā)冷凝機組制冷性能比較

參照某廠家R134a型WSCZ系列蒸發(fā)式冷凝螺桿冷水機組的樣本，在300～1760kW的范圍內(nèi)，其系統(tǒng)COP在4.40～4.51之間，平均約為4.45左右，與表1中的數(shù)據(jù)比較吻合。那么其主機本身的平均COP（略去冷卻系統(tǒng)）應為1/(1/4.45-0.014)=4.746。

以表1中水冷式機組系統(tǒng)COP在3.2～3.8為基礎，則主機本身的COP在1/(1/3.2-0.038)=3.643與1/(1/3.8-0.038)=4.441之間。參照GB19577-2004《冷水機組能效限定值及能源效率等級》，在小于528kW的冷量區(qū)間，該效率高值約等于3級能效，低值甚至低于5級能效；在大于528kW至1163kW的冷量區(qū)間，其高值略高于4級能效（5.3），而低值遠遠低于5級能效；在冷量大于1163kW的區(qū)間，高值介于4級與5級之間，低值也遠遠低于5級能效。它們無法滿足GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定的大于1163kW螺桿機組所需的最低能效標準（4.6），高值勉強高于528～1163kW所需的4.3，稍高于528kW機組所需的4.1。

因此，很顯然，就目前市場銷售的螺桿主機而言，其本身的性能系數(shù)COP被嚴重低估，用于產(chǎn)品或系統(tǒng)性能比較比較則失去其合理的基礎。

目前為滿足GB19577的節(jié)能產(chǎn)品要求，冷水機組的性能系數(shù)至少應達到2級，其限值分別為4.7（冷量≤528kW），5.1（528<冷量≤1163kW），5.6（冷量> 1163kW）。另外參照GB 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機組》，單位冷量的冷卻水流量為0.215m3/(h·kW)。再依據(jù)GB7190.1-2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔第1部分：中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔》規(guī)定的耗電比不大于0.035kW/(m3/h)，則單位冷量的冷卻塔耗電為0.0215×0.035=0.007525。而單位冷量的冷卻水泵耗電，由于大部分的項目的冷卻水泵安裝功率基本與冷凍水泵持平，則參照GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定允許的空調(diào)冷水管道的最大輸送比為0.0241，則水冷機組的單位冷量的冷卻水泵和冷卻塔耗電為0.0241+0.007525=0.031625。以此為基礎，水冷機組的系統(tǒng)COP分別為1/(1/4.7+ 0.031625)=4.092（冷量≤528kW）、1/(1/5.1+0.031625)= 4.392（528<冷量≤1163kW）、1/(1/5.6+0.031625)=4.757（冷量>1163kW）。

因此從上面分析中可以看出，2級能效水冷機組與蒸發(fā)式冷凝機組相比：

1）在冷量小于528kW的區(qū)間內(nèi)，水冷機組本身的效率與蒸發(fā)器冷凝冷水機組基本一致，但其系統(tǒng)效率低約8%。

2）在冷量介于528kW與1163kW的區(qū)間內(nèi)，水冷機組本身的效率與蒸發(fā)器冷凝冷水機組高7.5%，但兩者的系統(tǒng)效率基本一致。

3）在冷量大于1163kW的區(qū)間內(nèi)，水冷機組本身的效率與蒸發(fā)器冷凝冷水機組高18%，系統(tǒng)效率高出6.9%。

4）就機組本身效率而言，蒸發(fā)式冷凝機組并沒有體現(xiàn)出冷凝溫度低2℃所獲得的優(yōu)勢，其系統(tǒng)效率主要獲益于冷卻水系統(tǒng)的能耗降低，但在大冷量區(qū)間，其整體效率低于水冷式機組。

5）任何冷量區(qū)間都無法達到其宣稱的“蒸發(fā)式冷凝機組系統(tǒng)比水冷機組節(jié)能15%”的效果[1，2]。

6）如果采用高效的水冷機組，則蒸發(fā)式冷凝機組的主機效率和系統(tǒng)效率與水冷主機的差距將更大。

2 對蒸發(fā)式冷凝機組節(jié)水的分析

關于蒸發(fā)式冷凝機組的耗水量，存在著兩者兩種截然不同的說法。文獻[2]認為“蒸發(fā)式冷凝器屬于耗水設備”，其循環(huán)水量與5℃溫差的冷卻塔基本相當，而其耗水量則為冷卻塔的4.3倍。而文獻[1]與[3]則認為蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水量僅為冷卻塔的45%～50%，而耗水量僅為冷卻塔的5%～10%[4]。

在文獻[5]中列出常規(guī)冷卻塔中設計工況下每7K溫差時水的蒸發(fā)量約為冷卻水流量的1%，而國內(nèi)一般設計為5℃溫差，則蒸發(fā)損失為0.714%，飄逸損失為0.001%～0.005%，兩者相加為0.715%～0.719%，每kW所需的冷卻水流量為0.215m3/h，因此常規(guī)冷卻塔的耗水量大致為0.0015m3/h·kW。

而參照同樣的蒸發(fā)式冷凝機組樣本，每kW冷量的平均補水量為0.0014m3/h，按照文獻[2]與[4]，蒸發(fā)1kg的水能帶走2450kJ的熱量，則0.0014m3/h補水的散熱能力為0.0014×1000×2450/3600=0.953kW，即使不考慮其他損失，很顯然也是不足的。實際上，按照之前的計算，蒸發(fā)式冷凝機組每kW冷量所需的散熱量為1/COP+1=1/4.746+1=1.211kW，因此其補水量應不少于0.0018m3/h。ASHRAE[5]認為每kW冷量的蒸發(fā)量為0.5～0.6mL/s（0.0018～0.0022m3/h，前者用于空調(diào)，后者用于冷凍，后同）。再加上其他排污及飄逸損失，約占蒸發(fā)量的1/4～1/2，因此總的耗水量為0.6～0.9mm3/J（0.0022～0.0032m3/(h·kW)）。

本文認為，蒸發(fā)式和水冷式均通過水的蒸發(fā)潛熱排走熱量，冷量相同的情況下，則水的絕對蒸發(fā)量應該是一致的（此時沒有考慮機組COP對排熱量的影響）。但從前面的計算可以看出蒸發(fā)冷凝機組的飄逸和排污損失要大于常規(guī)的冷卻塔而導致其耗水量更大。因此文獻[2]指出“蒸發(fā)式冷凝器實際耗水量約為一般水冷式冷凝器的5%～10%”“表面上是正確的，但實際上稍加分析就會發(fā)現(xiàn)這是一種錯誤的觀點。冷卻塔中的那1kg水是循環(huán)量而不是消耗量。而蒸發(fā)式冷凝器中的那1kg水卻是消耗量”。而且由于蒸發(fā)式冷凝器的水循環(huán)量小，其相對補水量反而更大，如果采用通過導電率或雜質(zhì)濃度來控制補水的話，則補水系統(tǒng)的反應要更迅速。因此相對而言由于蒸發(fā)速度快也更容易結(jié)垢，且常年運行在潮濕環(huán)境中更容易腐蝕[6]。

3 結(jié)論

1）雖然理論上蒸發(fā)式冷凝器可以有效降低冷凝溫度，但分析發(fā)現(xiàn)主機本身的制冷性能沒有獲得理想中的提升，這個可能是制冷系統(tǒng)的其他部件沒有優(yōu)化匹配所導致；

2）在小冷量區(qū)間蒸發(fā)式冷凝機組的系統(tǒng)效率優(yōu)于2級能效水冷機組系統(tǒng)；

3）大冷量區(qū)間2級能效水冷機組本身和系統(tǒng)效率均優(yōu)于蒸發(fā)式冷凝機組；

4）兩者冷卻水的蒸發(fā)量冷均基于水的蒸發(fā)潛熱，應該是一致的。但蒸發(fā)冷凝機組的飄逸和排污損失大于冷卻塔而導致其耗水量更大。

參考文獻

[1]吳允昌.蒸發(fā)式冷凝機組在地鐵車站的應用分析[J].都市快軌交通,2012,25(8):119-122

[2]李軍.蒸發(fā)式冷凝器的應用分析[J].制冷與空調(diào),2009,9(3): 33-35

[3]劉長鳴.蒸發(fā)式冷凝技術在地鐵工程中的應用分析[J].制冷與空調(diào),2013,27(4):339-342

[4]朱冬生,劉飛龍,周璇,等.蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能節(jié)水分析[A].見:中國制冷協(xié)會2007學術年會?創(chuàng)新與發(fā)展[C].2007

[5]ASHRAE.2012 ASHRAE Handbook:Heating,Ventilating,and Air-Conditioning Systems and Equipment[S].Atlanta:ASHRAE, 2012

[6]李林林.蒸發(fā)式冷凝器應用于地鐵工程的適用性淺析[J].中國新技術新產(chǎn)品,2010,17:104-105

Pe rform a nc e Ana lys is on Eva pora tive-c onde ns a tion Chille r

ZHU Jin-ming1,ZENG Zhen-wei2
1 Shanghai Architectural Design Branch,Jiangsu Suzhong Construction Group Co.,Ltd.
2 Shenzhen Tuopuwei Electrical Equipment Engineering Co.,Ltd

Analyses the COP and water-consumption for evaporative-condensation chiller and water cooled chiller, presents evaporative-condensation system will have a better efficiency than water cooled one for a chiller capacity less than 528kW,it will become reverse for a chiller capacity larger than 1163kW.The evaporation rate will be equal as heat is rejected through water evaporation on both type of chiller,but water-consumption will be larger for evaporative condensation chiller which holds more drift and blowdown loss.

evaporative-condensation chiller,water cooled chiller,COP,water-consumption

1003-0344（2014）06-073-3

2013-12-18

朱金鳴（1958～），男，大學，高工；上海市永和路318弄4號（200072）；021-66058950-1006；E-mail:zhujm0831@126.com