某商場空調(diào)冷凍水大溫差系統(tǒng)分析

徐健

上海弘城國際建筑設(shè)計有限公司

某商場空調(diào)冷凍水大溫差系統(tǒng)分析

徐健

上海弘城國際建筑設(shè)計有限公司

本文以某商場空調(diào)工程為實例，通過冷凍水系統(tǒng)在標準溫差（7℃～12℃）與大溫差（6℃～13℃）兩種工況下，冷水機組、冷凍水泵、空調(diào)末端的能耗和初投資的具體分析，提出了使冷凍水大溫差系統(tǒng)（6℃～13℃）節(jié)能的措施。

冷凍水系統(tǒng) 大溫差 能耗 初投資 節(jié)能

在中央空調(diào)系統(tǒng)中，制冷系統(tǒng)的水泵裝機電量一般占空調(diào)系統(tǒng)總用電量的15%～20%，而實際運行中，水泵耗電量更是占空調(diào)系統(tǒng)總用電量的20%～30%，隨著冷水機組性能的不斷提高，水泵耗電量占比將更大。如何提高空調(diào)冷凍水的輸送效率，已成為空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵之一。國內(nèi)空調(diào)常規(guī)設(shè)計冷凍水供水溫度7℃，回水溫度為12℃，供回水溫差5℃，而大溫差空調(diào)系統(tǒng)冷凍水的供回水溫差一般為6℃～10℃。國內(nèi)已有不少工程采用大溫差空調(diào)技術(shù)，例如：上海萬國金融大廈冷凍水供回水溫差達7.7℃（6.7℃～14.4℃）；上海浦東國際金融大廈冷凍水的供回水溫差為10℃（5.6℃～15.6℃）[1～2]。由于空調(diào)系統(tǒng)冷凍水的供回水溫差加大，相同制冷量下的空調(diào)冷凍水循環(huán)量將減小，空調(diào)冷凍水管管徑、冷凍水泵的型號都將隨之減小，冷凍水泵的能耗隨之降低。但是冷凍水溫差的大小不僅影響冷凍水系統(tǒng)，同時也影響冷水機組及空調(diào)末端，本文將以實際工程冷凍水大溫差空調(diào)系統(tǒng)進行分析，探討冷凍水大溫差的利弊，為空調(diào)設(shè)計提供一定的依據(jù)。

1 工程概況

本工程建筑面積約217000m2，是集購物、辦公、飲食、娛樂于一體的綜合性大型商業(yè)建筑，該工程中央空調(diào)總設(shè)計冷負荷為30000kW，選用4臺1900RT離心式冷水機組4臺，450RT離心式冷水機組2臺，冷凍水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)，由于該工程體量大，空調(diào)系統(tǒng)的初投資和年運行費用都是極為巨大的，合理確定冷凍水系統(tǒng)的溫差將對減少空調(diào)系統(tǒng)初投資和降低年運行費用都起著重要的作用。本工程空調(diào)冷凍水供回水溫度為6/13℃，冷卻水供回水溫度32/37℃，常規(guī)空調(diào)冷凍水供回水溫度7/12℃，冷卻水供回水溫度32/37℃，本文僅對這兩種工況進行分析討論。

2 能耗分析

2.1 冷水機組的能耗

由制冷原理可知，蒸發(fā)溫度的降低可導(dǎo)致冷水機組制冷量的下降，以及電機能耗的增加，這個問題是比較讓人關(guān)注的，本工程冷凍水供回水溫度6/13℃，下面從理論上分析在此工況下冷水機組能耗變化，為簡化分析過程，作兩個假設(shè)：①冷凍水供回水溫度7/12℃和6/13℃兩種工況使用同一臺冷水機組提供相同的制冷量，蒸發(fā)器的傳熱面積為定值；②制冷機在冷水機組中的熱力過程均為理想過程，不存在熱損耗等。則制冷量：

式中：K為蒸發(fā)器傳熱系數(shù)；F為蒸發(fā)器的傳熱面積，m2；△tm為制冷劑與冷凍水對數(shù)平均溫差，℃。

式中：t1為供水溫度，℃；t2為回水溫度，℃；te為蒸發(fā)溫度，℃。

在兩種工況下制冷量和蒸發(fā)器傳熱面積相等，則有：Q0=Q0'，KF△tm=K'F'△tm'，F(xiàn)=F'。所以：

式中：R為傳熱熱阻，m2K/W。

蒸發(fā)器的傳熱熱阻R包括管內(nèi)沸騰放熱、銅管導(dǎo)熱、污垢熱阻、管外水流熱阻等。除水側(cè)熱阻外，其它熱阻基本保持不變，而水側(cè)對流放熱系統(tǒng)與水流速度成0.8次方關(guān)系（αw=∝v0.8）[3]。由于冷凍水溫差由5℃增加到7℃，所以水流量減為原來的71.5%，相同流通面積下，水流速也減小為原來的71.5%，則水側(cè)放熱系數(shù)αw'=0.7150.8αw=0.765αw，水側(cè)放熱熱阻 Rw'=1/αw'= 1/0.765αw=1.3Rw。

水側(cè)熱阻一般占蒸發(fā)器總熱阻的35%～40%，取37.5%。由于水側(cè)熱阻變化△R=0.375×(1.3-1)R= 0.1125R，則△tm'=(1+0.1125)×4=4.45℃，計算得到△tm'等于4.55℃，則可得到蒸發(fā)溫度4.1℃。

由于冷凍水溫度由7～12℃變?yōu)?/13℃，蒸發(fā)溫度下降了0.9℃，蒸發(fā)溫度下降，帶來冷水機組能耗增加。對于冷水機組的制冷系數(shù)，有：

假如冷水機組采用R134a冷媒，冷凝溫度為40℃，由lgP-H圖查得蒸發(fā)溫度分別為5℃和4.1℃時各過程點狀態(tài)參數(shù)，1、2、4點焓值為401.49 kJ/kg， 423.3 kJ/kg，256.41 kJ/kg，399.97 kJ/kg，424.116 kJ/kg，256.41 kJ/kg，兩種工況下的單位制冷量，單位理論功，單位制冷量耗電量見表1。

表1 不同溫差下制冷機制冷量和耗功理論

由表1可以看出，采用R134a冷媒冷水機組，冷凍水為6/13℃與7/12℃比較，制冷量衰減很小，約為1.05%，這是由于蒸發(fā)溫度變化較小，制冷系數(shù)下降約5%，即制取相同冷量耗電量增加約5%。

本工程選用4臺1900RT和2臺450RT的離心式冷水機組，表2是冷凍水為7/12℃和6/13℃兩種工況下某品牌冷水機組性能參數(shù)的比較。

表2 不同溫差下制冷機性能參數(shù)

由表2可以看出，冷水機組冷凍水在6/13℃與7/12℃比較，有以下幾點變化：

1）在冷水機組出力相同的情況下，電機功率增加6.5%左右，比理論計算稍微大點，這是因為實際過程中有能量損耗；

2）蒸發(fā)器壓降明顯下降，兩種機型壓降下降減少了約55%，冷凝器壓降下降幅度不一，分別減少了約15%、28%。

2.2 空調(diào)末端的能耗

冷凍水溫差增大，空調(diào)機組冷水流量減少會使表冷器換熱系數(shù)下降，導(dǎo)致冷量下降。表3為某品牌6排管空調(diào)機組在冷凍水為7/12℃和6/13℃兩種工況下性能參數(shù)。

表3 不同溫差下空調(diào)器冷量和水壓降

從表3可以看出，6～13℃大溫差下空調(diào)器制冷量下降約3.0%～9.35%，水壓降約增加1.1～1.4倍。在大溫差條件下，要保持表冷器冷量不變，有幾個辦法[6]：①增加表冷器的排數(shù)；②增加表冷器水回路；③增加表冷器的傳熱面積；④降低冷水初溫。一般常采用方法①、③，增加表冷器排數(shù)會使表冷器阻力增大，同時增加表冷器的空氣阻力。而采用增加表冷器迎風(fēng)面積的方法，對于處理風(fēng)量相同的空調(diào)機組，表冷器迎風(fēng)面積增加后，迎風(fēng)面風(fēng)速明顯降低，空氣流動阻力減小，風(fēng)機能耗可降低。同時這兩種方法表冷器阻力增加相差不大，這兩種方法均會使空調(diào)機組體積增大，對初投資增加幅度和建筑面積的影響相差無幾，所以采用增大表冷器迎風(fēng)面積的方法更合理。對于一個工程的水系統(tǒng)來說，空調(diào)器阻力所占比例不大，從表3可以看出，冷凍水泵揚程最多增加2.6mH2O，由此對本工程冷凍水泵的軸功率共增加46kW，本工程空調(diào)機組約為180臺，空調(diào)總風(fēng)量約400萬m3，考慮風(fēng)機總效率0.52，要節(jié)省46kW的平均需要表冷器空氣阻力下降21.5Pa，文獻[4]指出，增加表冷器迎風(fēng)面積可使空氣阻力減少35%。對于一個空氣阻力約為200Pa的表冷器要下降21.5Pa阻力是相對容易的，所以對于空調(diào)機組相同條件下多的工程，采用增加表冷器迎風(fēng)面積可使風(fēng)機耗電的減少抵消由水壓降增加引起耗電的增加。

2.3 冷凍水泵的能耗

采用冷凍水大溫差最主要的目的是減小冷凍水泵的輸送功率，空調(diào)系統(tǒng)冷凍水采用大溫差后，冷凍水量減少，水泵的功率相應(yīng)下降，在空調(diào)設(shè)計時一般采用假定流速法進行水管路系統(tǒng)地設(shè)計，假定采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)和大溫差空調(diào)系統(tǒng)的水流速相同，由于采用空調(diào)冷凍水大溫差系統(tǒng)時，水量減少，水管尺寸相應(yīng)減小，可以減少空調(diào)水系統(tǒng)的一次性投資，這是采用大溫差系統(tǒng)的另一個目的，下面分析在水管尺寸相應(yīng)減小的前提下采用大溫差冷凍水系統(tǒng)后水泵的節(jié)能效果。

水管壓力損失及水泵的軸功率分別按式（5）、式（6）計算：

式中：△P為管段阻力損失，Pa；△Pm為摩擦阻力損失，Pa；△Pl為局部阻力損失，Pa；

λ為摩擦系數(shù)；d為管道直徑，m；l為管道長度，m；v為流速，m/s；ρ為水的密度，kg/m3；ξ為局部阻力系數(shù)；G為水量m3/h；H為揚程，mH2O；η為水泵效率。

在系統(tǒng)一定的情況下，為簡單分析假定流速相同，水泵的效率相同，則根據(jù)式（5）、式（6）可得：

由此可知，水泵軸功率與流量、摩擦系數(shù)、管徑、局部阻力系數(shù)都有關(guān)系，并不能簡單得出與哪個參數(shù)的關(guān)系，下面結(jié)合本工程具體分析，表4為某品牌水泵在冷凍水為7/12℃和6/13℃兩種工況下性能參數(shù)。

表4 不同溫差下水泵性能參數(shù)

從表4可以看出，6/13℃與7/12℃比較，冷凍水泵有以下幾點變化：

1）一次泵軸功率之比在0.45左右，大大低于式流量之比0.714，這是因為兩種工況下機房中的阻力基本相當，而大溫差下冷水機組的水壓降大幅降低，使水泵耗電約為原來的45%；

2）二次泵一次泵軸功率之比在0.77左右，稍高于流量之比0.714，這是因為兩種工況下整個管路系統(tǒng)阻力損失基本相當，只是大溫差下空調(diào)機組的水壓降增加，使水泵耗電約為原來的77%；

3）整個冷凍水泵泵組耗電量約為原來的0.69，低于流量之比0.714，水泵耗電量節(jié)省約31%，這是因為相比于冷水機組水壓降降低，空調(diào)機組水壓降增加，整個水系統(tǒng)的阻力是降低的。

2.4 系統(tǒng)能耗比較

以本工程為例，比較冷凍水為6/13℃與7/12℃兩種工況下的能耗，考慮機組運行150天，每天運行12小時，電費為1.2元/kWh，按60%滿負荷運行估算。

表5 不同溫差下空調(diào)年運行費用

從表5可以看出，6/13℃與7/12℃比較，年運行費用減少了38.3萬元，約節(jié)省了3%的空調(diào)運行費用，按照大型空調(diào)系統(tǒng)使用20年考慮，則其周期運行費用節(jié)省766萬元。

3 不同冷凍水溫差系統(tǒng)初投資比較

冷凍水大溫差可以減小冷凍水管道管徑，冷凍水泵大小以節(jié)省管道系統(tǒng)投資費用，另一方面，末端空調(diào)機組表冷器需增大迎風(fēng)面積，導(dǎo)致投資增加。由于該商業(yè)廣場體量巨大，冷凍水管道系統(tǒng)投資較大，約占空調(diào)系統(tǒng)總投資的20%。末端空調(diào)機組數(shù)量眾多，約占空調(diào)投資20%。選用大溫差可節(jié)約冷凍水系統(tǒng)投資30%左右，同時末端系統(tǒng)投資上升20%左右，經(jīng)過簡單計算可以發(fā)現(xiàn)使用大溫差冷凍水系統(tǒng)總投資將節(jié)約2%（假定冷水機組價格不變）。

4 結(jié)論

通過以上對采用6/13℃和7/12℃不同冷凍水溫差空調(diào)系統(tǒng)的理論及工程實例分析，對于大溫差空調(diào)系統(tǒng)可以得出以下結(jié)論：

1）采用R134a為制冷劑的冷水機組，理論分析在大溫差下能耗增加約5%，冷水機組選型時其能耗應(yīng)盡量接近5%；

2）增大表冷器迎風(fēng)面積可以降低空調(diào)機組風(fēng)機能耗，并可以此抵消由于大溫差引起的水泵能耗的增加；

3）減小管徑保持流速不變的情況下，選擇水壓降降幅大的冷水機組、水壓降增幅小的空調(diào)機組可使水泵節(jié)能效果更為顯著。

采用冷凍水大溫差系統(tǒng)需經(jīng)過全面的技術(shù)經(jīng)濟分析，采取合理有效的措施，才能達到降低空調(diào)系統(tǒng)運行費用和初投資的目的。

[1]殷平.空調(diào)大溫差研究(1):經(jīng)濟分析方法[J].暖通空調(diào),2000, 30(4):62-66

[2]吳小衛(wèi),胡文斌.大溫差空調(diào)水系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].制冷, 2005(增刊):99-101

[3]嚴啟森.空調(diào)用制冷技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983

[4]殷平.空調(diào)大溫差研究(4):空調(diào)冷水大溫差系統(tǒng)經(jīng)濟分析[J].暖通空調(diào),2001,31(1):68-72

Ana lys is of La rge Chille d Wa te r Te m pe ra ture Diffe re nc e of Air Conditioning Sys te m of a n Em porium

XU Jian
Shanghai Grandcity International Architecture Design Co.,Ltd.

This article cites an air conditioning project of an emporium,energy consumption and initial investment of chiller,chilled water pump and air handling unit were analyzed under two chilled water difference scheme,i.e.,standard temperature difference(7℃～12℃)and large temperature difference(6℃～13℃).The energy saving measures of large temperature difference in chilled water system were proposed.

chilled water system,large temperature difference,energy consumption,initial investment,energy saving

1003-0344（2015）03-063-4

2014-1-29

徐?。?981～），男，碩士，工程師；上海市虹口區(qū)東大名路1082號附樓2樓（200082）；021-31310752；E-mail:xjian7161@163.com