冷凍水系統(tǒng)大流量小溫差的分析

鄧曙光

空調技術

冷凍水系統(tǒng)大流量小溫差的分析

鄧曙光

（上海市機電設計研究院有限公司，上海200040）

根據(jù)冷卻盤管的靜態(tài)特性曲線，分析了實際運行的冷凍水系統(tǒng)中存在的盤管動態(tài)特性、通斷控制、進風焓值低、旁通、經(jīng)過盤管的風量偏小、盤管換熱量不足等因素，并利用相對冷量－相對流量圖對這些因素引起的冷凍水系統(tǒng)大流量小溫差現(xiàn)象進行圖示，供設計、運行參考。

冷凍水； 大流量小溫差

0 引言

空調系統(tǒng)的能耗主要由制冷機、水泵與風機能耗構成，其中制冷機的能耗約占60%，水泵、風機的能耗約占40%[1]。近幾年來制冷機的能效比提高較快，對名義制冷量大于2100kW的水冷離心式制冷機COP要求不小于5.9。而水泵的效率變化較小，為了減少冷凍水的輸送能耗，在滿足末端供冷的前提下，避免出現(xiàn)大流量小溫差的現(xiàn)象。但實際運行的冷凍水系統(tǒng)中大流量小溫差現(xiàn)象很普遍，本文分析了引起大流量小溫差現(xiàn)象的一些因素。

1 盤管換熱靜態(tài)特性

盤管換熱靜態(tài)特性指盤管的換熱量與流量之間的關系，如圖1所示，工況點與原點連線的斜率表示對應工況下冷凍水供回水溫度，在部分負荷時，回水溫度明顯變高于設計工況下的回水溫度；加之一個中央空調系統(tǒng)大部分時間運行在部分負荷，應該出現(xiàn)小流量大溫差的現(xiàn)象，但這與實際運行情況不符合。

2 盤管動態(tài)特性

空調箱調節(jié)閥的開度一般由回風溫度控制，采用

PDI算法，使回風溫度保持在設定值（一般為26℃）。根據(jù)現(xiàn)場觀察，回風溫度基本能控制在26℃，但調節(jié)閥開度卻一直不斷變化，振蕩不停，有時甚至全開。從自動控制過程來看，是通過調節(jié)閥調節(jié)冷凍水供水量，來調節(jié)送風溫度，從而調節(jié)回風溫度，這個過程包含了3個慣性環(huán)節(jié)：回風溫度－傳感器－控制器－執(zhí)行器－冷凍水流量，冷凍水－盤管－送風溫度，送風溫度－室內冷負荷－回風溫度。從控制效果看，由于慣性環(huán)節(jié)的存在，使得回風溫度變化緩慢。但由于傳感器的隨機誤差不可避免，這就使得回風溫度的變化與傳感器隨機誤差疊加的總的溫度變化被慣性環(huán)節(jié)放大，從而使得控制器的輸出信號加大。同時調節(jié)閥采用PID控制時，受到1mm階躍信號時，執(zhí)行機構上升時間約為0.3s，誤差帶寬度為穩(wěn)態(tài)輸出值的2%時，調整時間約為0.22s[2]，受到機械部分的限制，閥芯的移動速度仍可達到4mm/min、5.3mm/min、16mm/min、21mm/min等[3]。這就使得調節(jié)閥的輸出一直在振蕩，說明即使在很短的時間內，部分負荷狀態(tài)點一直在盤管特性曲線上移動，而不會固定在某一點。在某時間間隔內，A點與B點為波動的兩個工況點，冷凍水相對流量分別為mA、mb，相對制冷量分別為qA、qb，記盤管的額定流量為M，額定冷量為Q。令處于A點與B點的工況持續(xù)的時間分別為dτA、dτB，按照平均制冷量計算方法，在dτA+dτB時間內的相對冷量為：

為了便于圖示，取dτA=dτB，

按靜態(tài)考慮，在圖2中表示為C點，按照動態(tài)考慮，對冷凍水流量也進行加權計算，在圖2中表示為D點，從圖2可以看出D點的流量要大于C點，D點的回水溫度要低于C點。這說明在實際系統(tǒng)中回水溫度要比按穩(wěn)態(tài)計算得到的回水溫度低。

3 通斷控制

風機盤管的電動兩通閥只有兩種工作狀態(tài)：開啟、關閉。當閥門運行良好時，閥門關閉時，沒有水流經(jīng)盤管，工況點可表示為圖3中的A點；閥門開啟時，風機盤管所在區(qū)域的溫度可以維持在一個范圍內，單個風機盤管的工況點范圍可表示為圖3中的線段BC。當1臺風機盤管開，另1臺風機盤管關閉時，理想狀態(tài)下的工況點將落在AB中點與AC中點的連線上；某個區(qū)域內的總體特性由這個房間風機盤管開啟個數(shù)與各個風機盤管的工況點共同決定，總的當量工況點的應位于ABC組成的三角區(qū)域內，實際運行中，風機盤管冷凍水進出口的可資用壓力一般大于額定工況下的需要的壓力，單個風機盤管的工作點范圍可表示為圖3中的線段DE，從而某個區(qū)域內的總的當量工況點的應位于ADE組成的三角區(qū)域內。這也導致了大流量小溫差現(xiàn)象，而且系統(tǒng)中風機盤管的比例越大，大流量小溫差現(xiàn)象越明顯。

4 進風焓值低

對于一次回風定風量系統(tǒng)，盤管選型是按室外新風與室內回風混合點空氣狀態(tài)來確定盤管的進風參數(shù)，對于設計良好的系統(tǒng)，回風溫度基本保持不變，但室外新風空氣狀態(tài)點一直都是在變化的，大部分時間室外新風焓值是低于設計工況的，這就導致盤管的進風狀態(tài)點焓值大部分時間也是低于設計工況的，圖4分別給出了盤管在（干球/濕球溫度）25.6/18℃、24/17.5℃、23/17.1℃、21/16.5℃進風狀態(tài)下的特性曲線。從圖中可以看出，盤管進風焓值低，也會引起大流量小溫差的現(xiàn)象。

5 旁通

由于設計、施工、運行管理等方面存在不完善的因素，空調水系統(tǒng)中常常出現(xiàn)不正常的旁通現(xiàn)象，如水系統(tǒng)在車間或每幢建筑的入口處的沖洗旁通管上的閥門未關緊，這必然導致大流量小溫差的現(xiàn)象；另外，在空調箱進出水管處設置的沖洗旁通管上的閥門沒有關緊，也會導致大流量小溫差的現(xiàn)象。

為了便于圖示，令經(jīng)過旁通支管上的流量始終與經(jīng)過盤管的流量相等，旁通支管上的工況點表示為圖5中的E點，盤管與旁通管并連后的等效特性曲線如圖5中盤管特性曲線2所示，圖中D點與旁通管并聯(lián)后的等效工作點如圖5中F點所示，F(xiàn)點與原點的連線的斜率遠小于D點與原點連線的斜率，說明F點的溫度要小于D點的溫度，同時F點的流量要大于D點的流量。對于實際運行的系統(tǒng)，由于旁通支管的阻力遠小于盤管支路，等效的盤管特性曲線還要向右移動，這時大流量小溫差現(xiàn)象更嚴重。另外，電動調節(jié)兩通閥的旁通閥沒有關緊，會導致調節(jié)閥的調節(jié)性能大大下降，甚至喪失，盤管一直以超過所需的流量運行，導致大流量小溫差現(xiàn)象。

6 經(jīng)過盤管的風量偏小

在運行管理中，由于風機供電電壓偏低、過濾器未及時清洗、盤管積灰、風機與電機間的傳動效率下降、對原空調風管簡單的改造等，均可引起經(jīng)過空調風量的減小，風量減小，這時盤管的析濕系數(shù)增大，出風溫度降低，盤管的換熱系數(shù)降低，盤管總的換熱量減少，盤管出水溫度降低，這時也會引起大流量小溫差現(xiàn)象，這時盤管的特性曲線會向下偏移，如圖6所示。

7 盤管換熱量不足

在進行盤管選型時，某些廠家的選型會依據(jù)試驗樣品的試驗結果的經(jīng)驗公式進行放大計算，導致了選

型誤差；甚至某些沒有試驗條件的企業(yè)通過抄襲其他廠家的相關樣本來選型；有些代加工企業(yè)為了節(jié)約成本減少盤管的排數(shù)，這些均可造成盤管選型偏小，導致盤管換熱不足。另外系統(tǒng)長期運行后，盤管內部結垢，外部翅片積塵過多，也導致盤管換熱不足。如圖7所示，A點為盤管實際的滿負荷工況點，但由于盤管換熱不足，導致不能滿足實際負荷的要求，這時只能通過加大通過盤盤管的冷凍水流量來提高盤管的換熱量，但這必然引起大流量小溫差的現(xiàn)象，如圖7中B點所示。

8 結語

空調冷凍水系統(tǒng)在實際工程中總是存在大流量小溫差的趨勢，有些是盤管與系統(tǒng)固有的特性造成的，無法避免，如盤管的動態(tài)特性引起的大流量小溫差現(xiàn)象，但這不會引起冷凍水供回水溫差低于設計溫差；如通斷控制與進風焓值低引起的大流量小溫差現(xiàn)象，會引起冷凍水供回水溫差低于設計溫差。其他各種原因引起的旁通、經(jīng)過盤管的風量偏小、盤管換熱量不足，導致的大流量小溫差應盡量避免。當系統(tǒng)出現(xiàn)大流量小溫差的現(xiàn)象后，會導致：

（1）部分負荷時水系統(tǒng)中的水流量大于實際需要的水流量，增加了水泵的功耗；

（2）由于水泵的最大流量一定，而系統(tǒng)的供回水溫差變小，會影響冷凍機組的額定輸出能力；

（3）在高負荷率時部分末端的供冷量不足。

對于運行維護，特別是大型工廠，站房與各車間的末端的運行、維護是由不同人員進行的，第一種情況常常被忽略，對于后兩種情況，在沒有找到大流量小溫差的真正的原因的情況下，一般是通過降低冷凍機的供水溫度或增加冷凍機的方式來解決，但這并不是根本的解決方法。因此需從設計、施工、運行管理等多方面著手，減少非系統(tǒng)固有特性引起的大流量小溫差現(xiàn)象，才能真正節(jié)約水泵的輸送能耗。

[1]李彬，肖勇全，李德英，等.變流量空調水系統(tǒng)的節(jié)能探討[J].暖通空調，2006，36（1）：132～136.

[2]王志.電動調節(jié)閥動態(tài)特性與控制研究[D].山東大學碩士論文，2013：75，76.

[3]施俊良.調節(jié)閥的選擇[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986：167～169

Analysis of Large Flow Rate with Small Temperature Difference of Chilled Water System

DENG Shu-guang

（Shanghai Institute of Mechanical&Electrical Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200040，China）

Accordingtothestatic characteristic curveofthecoolingcoil，itpresentsrespectivelytheanalysisoflarge flowratewithsmall temperaturedifferenceofchilledwatersystemontherelativecoolingload-relativeflowratediagramafter analyzingthefactorssuchasdynamic characteristic ofthecoolingcoil，on-offcontrol，thelowenthalpyofinlet，thebypass of chilled water system，the low air volume through the cooling coil，the insufficient heat exchange between the air and chilledwater.Itcanbereferredbydesignerandoperator.

chilledwatersystem； largeflowratewithlowtemperaturedifference

TU831

B

2095-3429（2016）02-0059-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.014

2016-03-16

修回日期：2016-04-18

鄧曙光（1983-），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師，主要從事工業(yè)建筑的暖通系統(tǒng)設計工作。