大溫差空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能效果

汪洋

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

1 工程簡介

某站房總建筑面積18.3 萬m2，地板表面太陽輻射強(qiáng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度高、單位面積熱指標(biāo)高。室內(nèi)工作人員最高聚集人數(shù)5 000人，潛熱較大。

為降低輸配系統(tǒng)能源消耗，系統(tǒng)采用大溫差空調(diào)水設(shè)計，通過降低系統(tǒng)水流量，間接控制冷凍水泵功率，從而達(dá)到節(jié)能目的（20%節(jié)能）。

2 供回水溫度確定與負(fù)荷積累分布

2.1 供回水溫差

采用一次回風(fēng)方式，測量各項參數(shù)確定空調(diào)水系統(tǒng)供回水溫度。常規(guī)冷凍水供回水溫度為7～12 ℃，本系統(tǒng)范圍有所擴(kuò)大，即6～13 ℃。以控制調(diào)節(jié)、末端設(shè)備能力、溫差控制等為指標(biāo)，根據(jù)主流制冷設(shè)備性能，確定本系統(tǒng)最大溫差值為8 ℃。供回水溫差見圖1。

圖1 供回水溫差

當(dāng)溫差為7 ℃時，節(jié)能效果較8 ℃降低了4%，但流量增加了10%，有助于水系統(tǒng)可調(diào)性的增加。綜合節(jié)能與流量2項指標(biāo)，本系統(tǒng)選取7 ℃為供回水溫差。

2.2 負(fù)荷積累分布

系統(tǒng)運(yùn)行期間，負(fù)荷主要分布在50%～80%，該部分負(fù)荷率占據(jù)總運(yùn)行時間約為70%。負(fù)荷累計分布見圖2。

圖2 負(fù)荷累計分布

隨著時間的推移，負(fù)荷累計量越大，負(fù)荷百分比隨之增加。當(dāng)負(fù)荷百分比達(dá)到70%時，增加頻率最大。

3 大溫差空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

決定空調(diào)運(yùn)行水溫的因素包括空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)、冷卻水與冷凍水出水溫度、末端表冷器特性、負(fù)荷特點(diǎn)、水管道特性5項，因此在設(shè)計大溫差空調(diào)水系統(tǒng)時，著重探究這些影響因素。

3.1 送風(fēng)狀態(tài)

通過空氣處理，實現(xiàn)室內(nèi)熱濕負(fù)荷滿足需求。確定產(chǎn)濕量、得熱量、空氣狀態(tài)3項指標(biāo)數(shù)值后可以繪制出熱濕比線，則曲線最低送風(fēng)溫度值（S1）為確定參數(shù)。當(dāng)冷凍水溫度降低時，送風(fēng)溫度（S2）將隨之降低，下達(dá)溫度控制命令，室內(nèi)濕度及空氣狀態(tài)焓值也出現(xiàn)下降趨勢，使得產(chǎn)生的焓差增大［1］。

為降低空調(diào)機(jī)組造價，降低能量消耗，可以通過采取降低供水溫度方式減少送風(fēng)量，實現(xiàn)預(yù)期操控目標(biāo)。在實際應(yīng)用中，回水溫度的調(diào)節(jié)雖然可以控制送風(fēng)狀態(tài)，但是冷凍水溫度將被限制到某一特定范圍［2］。

所以，不可任意增加水溫差達(dá)到節(jié)能目的，需結(jié)合其他指標(biāo)設(shè)置情況進(jìn)行綜合分析后確定。

3.2 冷卻水與冷凍水出水溫度

水溫變化對冷水機(jī)組工作效率影響較大，冷水機(jī)組效率隨著冷凍水出水溫度的降低而下降［3］。當(dāng)冷凍水溫度在5～10 ℃時，位于出水口的水溫每降低1 ℃，機(jī)組效率將隨之下降3%～4%。如果水溫下降超出特定范圍5～10 ℃，那么機(jī)組效率下降幅度將超出4%。通常情況下，冷水機(jī)組正常運(yùn)行水溫在4 ℃以上。因此在設(shè)計冷水機(jī)組時，設(shè)置冷凍水供水溫度下限值范圍4～5 ℃。

相比于冷凍水溫，冷卻水出水口水溫的變化對機(jī)組運(yùn)行效率造成的影響更大［4］。當(dāng)溫度在30～39 ℃時，冷卻機(jī)組效率隨著溫度的提升而下降，下降幅度在2～3倍。當(dāng)水溫超過40 ℃時，離心機(jī)工作效率下降速度較快。

考慮到冷卻塔進(jìn)水溫度的提升，可以在一定程度上增加進(jìn)出風(fēng)焓差，有利于冷卻塔風(fēng)機(jī)功率的控制。因此，在設(shè)計大溫差空調(diào)水系統(tǒng)時，將冷卻塔進(jìn)水溫度作為操控指標(biāo)之一。

3.3 末端表冷器特性

末端表冷器水管內(nèi)流速下降時，換熱量將隨之減少。因此，可以通過調(diào)節(jié)流量控制換熱量。目前，采用比較多的控制方式是在換熱器銅管水側(cè)添加擾流器，當(dāng)溫差在5～8 ℃時，可以增強(qiáng)換熱，超過8 ℃以后，控制作用逐漸減小。為了滿足大溫差空調(diào)水功耗控制需求，適當(dāng)增加換熱面積，維持制冷量，以供空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.4 負(fù)荷特點(diǎn)

大溫差系統(tǒng)作業(yè)期間，可能會出現(xiàn)功率較大情況，同時部分負(fù)荷功率較小。為有效控制空調(diào)水系統(tǒng)能耗，通過調(diào)節(jié)負(fù)荷運(yùn)輸時間，達(dá)到節(jié)能目的。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計中，通過調(diào)查同類項目空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，取負(fù)荷數(shù)據(jù)。為降低能耗，結(jié)合負(fù)荷與溫度、管徑等參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)置多種工況計算負(fù)荷數(shù)值。并將其作為系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，通過多項指標(biāo)綜合功率計算，確定最佳工況。

3.5 水管道特性

水管道對空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行具有一定阻礙作用，其產(chǎn)生阻力影響系統(tǒng)功耗。將5 ℃水溫差作為參照，計算水泵功率比值：

式中：N 為溫差為Δt 時對應(yīng)的水泵功率；N5為溫差為5 ℃時水泵作業(yè)功率。

由式（1）可知，水泵功率比隨著溫差的增加而減小，所以，在大溫差控制情況下，有助于水泵功率的調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目的。

4 系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能效果分析［5-7］

4.1 方案對比

基于大溫差空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計方案研究中各參數(shù)特性，選取為冷卻水供回水溫度、冷凍水供回水溫度、冷凍水流量、冷水機(jī)組效率、蒸發(fā)器降壓、冷卻水主管管徑、冷凍水水泵揚(yáng)程、單臺冷水機(jī)組功率、冷卻水水泵功率、冷凍水水泵功率、冷卻塔功率、冷水機(jī)組房額定工況、冷水機(jī)組房額定功率作為項目指標(biāo)，設(shè)置不同數(shù)值，形成5組系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能方案（見表1），從而探究最佳方案。其中，水溫配比設(shè)計是根據(jù)供回水溫度范圍界定。

表1 節(jié)能方案設(shè)定

4.2 節(jié)能效果評價

按照表1 中設(shè)定的5 組方案，開展節(jié)能對比試驗，通過觀察冷機(jī)電耗、冷卻塔電耗、水泵電耗3 項指標(biāo)，判定最佳節(jié)能方案（見表2）。

表2 不同方案對比統(tǒng)計

通過對比表2中節(jié)能效果可知，5組方案中，整體節(jié)能效果最佳的是方案5（節(jié)能20.31%），且水泵能耗占比也是最低值（僅有11.48%），達(dá)到預(yù)期節(jié)能目標(biāo)。方案4與方案5相比，冷機(jī)電耗和冷卻塔電耗相同，只是水泵電耗相對較高，導(dǎo)致能耗偏高，節(jié)能效果偏低。因此，在設(shè)計大溫差空調(diào)水系統(tǒng)時，應(yīng)加大對冷凍水水泵揚(yáng)程、冷卻水水泵揚(yáng)程的重視，以17 m和14 m為最佳設(shè)定值。

5 結(jié)束語

從節(jié)能角度探究了大溫差空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計方案，通過分析系統(tǒng)特性，確定系統(tǒng)水溫影響核心因素，擬定大溫差空調(diào)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案。該方案選取多個指標(biāo)，設(shè)定不同參數(shù)值，測試系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能效果。測試結(jié)果表明，冷機(jī)電耗、冷卻塔電耗差距不大，水泵電耗相差最多，對空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗影響較大。為進(jìn)一步降低機(jī)組能耗，可以通過降低水泵電耗實現(xiàn)。