大溫差冷卻水對冷水機(jī)組性能的影響研究

湯繼保

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)為人們的工作生活帶來了舒適的環(huán)境，成為了當(dāng)前人們現(xiàn)代化生產(chǎn)生活中的必需品，同時空調(diào)系統(tǒng)也成為大型建筑物中能耗比例最高的設(shè)備。而在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中，冷卻水系統(tǒng)作為重要部分，并且在運(yùn)行過程中對資源能源消耗較大，降低冷卻水系統(tǒng)能耗對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。

常規(guī)中央空調(diào)的冷卻水系統(tǒng)一般采用冷卻塔加冷卻水泵的方式，利用冷卻塔來降低循環(huán)冷卻水的溫度。常規(guī)的空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用32 ℃/37 ℃設(shè)計（溫差為5 ℃），大溫差冷卻水系統(tǒng)（溫差為6～10 ℃）從冷卻水系統(tǒng)改進(jìn)，分析大溫差冷卻水對冷水機(jī)組的主要性能影響，實現(xiàn)冷水機(jī)組運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)能源節(jié)約，同時不會影響冷水機(jī)組性能正常運(yùn)行。通過大溫差冷卻水對冷水機(jī)組主要性能以及對冷卻水泵等的影響分析，從地區(qū)適用性等方面探討了使用自然冷源大溫差冷卻水空調(diào)系統(tǒng)具有可行性，長期使用可以產(chǎn)生較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，為空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

1 大溫差冷卻水對冷卻水泵的影響理論分析

在研究大溫差冷卻水對冷卻水機(jī)組性能影響時，首先分析大溫差冷卻水對空調(diào)系統(tǒng)冷卻水泵的影響，這也是基于冷卻水泵在整個冷水機(jī)組性能影響中的重要性而出發(fā)的。水泵的流量G 和功率N 計算見式（1）和式（2）。

其中，Q 為系統(tǒng)的總冷負(fù)荷，C 為水的比熱容，ρ 為水的密度，Δt 為冷卻水的供回水溫差，g 為自由落體加速度，H 為水泵的揚(yáng)程，η 為水泵的效率，1.1 為水泵流量的附加系數(shù)。

根據(jù)式（1），在總冷負(fù)荷相同的情況下，如果使用溫差為6～10 ℃的冷卻水，則冷卻水的流量將比采用傳統(tǒng)5 ℃溫差減少16.7%～50%，整個冷卻水泵的功率也會出現(xiàn)降低。在現(xiàn)今常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻水系統(tǒng)的組成主要分為水系統(tǒng)管路、冷凝器和冷卻水泵以及冷卻塔等部分。在設(shè)備實際布置中，一般冷卻塔常常布置在房屋建筑的頂部，冷卻水管路較長，管路阻力較大，因此冷卻水泵的揚(yáng)程也較高。而使用溫度較低的一次冷卻水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)的設(shè)置簡單，不存在冷卻塔等部件，此種運(yùn)行情景下，大溫差冷卻水系統(tǒng)對冷卻水泵的運(yùn)行要求則會降低，即使在降低冷卻水流量減小水泵揚(yáng)程后，冷卻水泵仍可以滿足實際的運(yùn)行需求。

2 大溫差冷卻水對冷水機(jī)組的性能影響分析

2.1 理論分析

目前，國內(nèi)外對空調(diào)機(jī)組性能進(jìn)行評價主要有以下幾個指標(biāo)，分別是EER（Energy Efficiency Ratio，能效比）、SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio，季節(jié)能效比）、COP（Coefficient Of Performance，制冷系數(shù)）、IPLV（Integrated Part Load Value，綜合部分性能系數(shù)）和APLV（Application Part LoadValue，部分負(fù)荷應(yīng)用值）。對冷水機(jī)組的實際性能進(jìn)行評價目前普遍采用的是使用COP 這個性能指標(biāo)。COP 是一個綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，就是機(jī)組制冷量與機(jī)組能耗之比，其值越高說明冷水機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性越好，反之則越差。以此在研究大溫差冷卻水對冷水機(jī)組性能影響分析中主要借助制冷系數(shù)即COP 進(jìn)行理論上的分析。

首先從冷卻水溫差對冷凝換熱器的影響進(jìn)行分析，換熱器的傳熱方程為：

式中 K——冷凝器傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

A——冷凝器傳熱面積，m2

Δtm——冷凝器冷卻水對數(shù)平均溫差，℃

t0——冷凝溫度，℃

t1——冷卻水出口溫度，℃

t2——冷卻水進(jìn)口溫度，℃

同一冷水機(jī)組當(dāng)冷凝器側(cè)換熱量一定時，隨著冷卻水溫差的逐漸增大，冷卻水流量隨之降低，冷凝器的傳熱系數(shù)隨著冷卻水流量的變化而變化，QLN=QLN′，則。其中，R 和R′不同冷卻水流量時冷凝器傳熱熱阻，（m2·℃）/W。

冷凝器傳熱熱阻R 包括制冷劑側(cè)熱阻、冷卻水熱阻、污垢熱阻、管壁熱阻等。對于同一換熱器，當(dāng)冷卻水流量變化時，只有冷卻水側(cè)熱阻變化，其余熱阻均基本保持不變。

冷卻水傳熱系數(shù)與水流速的對應(yīng)關(guān)系為：

式中α——冷卻水側(cè)傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

υ——冷卻水流速，m/s

當(dāng)換熱量不變時，冷卻水流量與冷凝器冷卻水進(jìn)出口溫差成反比，對于相同的冷凝器，水流量與流速成正比，則水側(cè)熱阻與冷卻水進(jìn)出口溫差的關(guān)系為其中，Rw、Rw′分別為不同流量時冷凝器水側(cè)熱阻，（m2·K）/W。

對于管殼式冷凝器，在冷卻水進(jìn)出口溫差改變的情況下，制冷劑側(cè)熱阻、污垢熱阻、管壁熱阻基本不變，主要變化量是冷卻水熱阻，冷卻水熱阻約占整個冷凝器熱阻的35%～40%，取其所占比例為37.5%進(jìn)行計算，大溫差冷卻水時冷凝器的總傳熱熱阻為

因此整理后可得：

結(jié)合上式進(jìn)行計算，圖1 為進(jìn)水溫度為22 ℃、24 ℃、26 ℃、28 ℃、32 ℃，進(jìn)出水溫差在5～15 ℃時的冷凝器冷凝溫度變化曲線圖。

圖1 冷卻水進(jìn)出口溫差與冷凝溫度變化關(guān)系

由圖1 可以看出，隨著冷卻水進(jìn)出口溫差不斷增大，冷凝器冷凝溫度也在不斷提升。冷卻水進(jìn)水溫度恒定時，隨著冷卻水進(jìn)口溫度差不斷增大，冷水機(jī)組的制冷劑的冷凝溫度也出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。對于冷水機(jī)組性能來講，制冷劑冷凝溫度的變化對整個冷水機(jī)組的運(yùn)行有較大的影響。

如圖2 所示，假設(shè)蒸發(fā)溫度不變，當(dāng)冷凝溫度由tk升高到時，制冷循環(huán)由“1—2—3—4—1”變?yōu)椤?—2′—3′—4′—1”。單位制冷量q0=h1-h4=h1-h3，當(dāng)tk升高時，h3增加，因此（h1-h3）減小，理論比功w0=h2-h1，當(dāng)tk 升高到tk'時，壓縮比增加，h2增加到h'2，w0隨tk 的升高而增加，tk升高時，q0降低，w0升高，因而制冷系數(shù)COP 下降。

2.2 假定運(yùn)行工況分析

對大溫差冷卻水對冷水機(jī)組性能影響，根據(jù)實際運(yùn)行工況進(jìn)行假定分析。假定冷水機(jī)組制冷量恒定，根據(jù)冷卻水流量的變化狀況進(jìn)行具體分析。運(yùn)行工況1，假定冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)口溫度不變，出口溫度發(fā)生變化，冷卻水流量也出現(xiàn)變化。運(yùn)行工況2，假定冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)口和出口溫度都出現(xiàn)變化，但變化是相同幅度，即在溫差相同下整個冷卻水的流量不會出現(xiàn)變化。

圖2 冷凝溫度變化時制冷循環(huán)的變化

運(yùn)行工況1 分析，將冷卻水出口溫度變化控制在25～37 ℃，根據(jù)上面分析，冷卻水的流量與其進(jìn)出口溫差呈反比關(guān)系，即冷卻水進(jìn)出口溫差越大，其流量就會變得越小。隨著冷卻水進(jìn)水溫度不斷降低、出水溫度不斷升高，那么整個冷卻水流量則會降低（圖3）。

圖3 冷卻水出水溫度與其流量的關(guān)系

圖4 為運(yùn)行工況1 冷卻水進(jìn)出口溫差與機(jī)組COP 的關(guān)系：在冷卻水進(jìn)水溫度恒定的狀況下，如果冷卻水出水溫度增大，則整個冷水機(jī)組的COP 會降低，但所需的冷卻水流量減?。蝗绻M(jìn)出水溫差不斷減小，則整個冷水機(jī)組的COP 不斷增大，但冷卻水流量也呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖4 運(yùn)行工況1 冷卻水進(jìn)出口溫差與COP 的關(guān)系

其次，針對運(yùn)行工況2 進(jìn)行分析，在冷卻水進(jìn)出口溫差控制在特定范圍內(nèi)，保證整個冷卻水流量恒定的情景下，對相同進(jìn)出水溫差狀況下空調(diào)機(jī)組制冷性能系數(shù)進(jìn)行分析。圖5 為運(yùn)行工況2 冷卻水的進(jìn)口溫度與機(jī)組COP 的變化關(guān)系，由圖可得，相同冷卻水進(jìn)出口溫差和流量恒定條件下，冷卻水溫度越低，整個空調(diào)機(jī)組的制冷性能系數(shù)越高，即空調(diào)機(jī)組的制冷性能越好。如果在冷卻水進(jìn)水溫度恒定條件下，進(jìn)出口溫差不斷增大，那么整個冷卻水流量將會降低，整個空調(diào)機(jī)組的制冷性能則會降低。因此，理論上使用溫度較低的冷卻水，可以通過增大進(jìn)出口水溫差的方法達(dá)到較好的制冷效果。

圖5 運(yùn)行工況2 冷卻水的進(jìn)口溫度與COP 的關(guān)系

3 不同水源情景下大溫差冷卻水對冷水機(jī)組性能影響分析

為了進(jìn)一步分析大溫差冷卻水對冷水機(jī)組性能影響，通過深井水和江河水兩種不同的自然水源作為一次冷卻水進(jìn)行分析。通過試驗測定發(fā)現(xiàn)，我國溫和地區(qū)夏季氣候條件下，深井水的水溫為19～24 ℃，而江河水的溫度為22～31 ℃，兩種水源測量溫度均比空調(diào)機(jī)組冷卻塔所使用的冷卻水水溫低。而對于深井水來講，深井水的溫度比較穩(wěn)定，不會受到外部環(huán)境的影響，而江河水的水溫變化會受到外部環(huán)境變化，取水深度、補(bǔ)給水等的影響，江河水的水溫會出現(xiàn)較大的波動變化。

借助以上深井水和江河水進(jìn)行試驗分析：將深井水用作為冷水機(jī)組的冷卻水時，其進(jìn)出口溫差可達(dá)到10 ℃，實際測定冷水機(jī)組的制冷性能系數(shù)達(dá)到了6 左右，大大高出冷水機(jī)組的額定制冷系數(shù)值。將江河水作為冷水機(jī)組的冷卻水時，由于江河水溫度會隨外部環(huán)境等因素的影響不斷出現(xiàn)變化，在外部環(huán)境溫度較高的情景下，整個冷水機(jī)組的制冷性能系數(shù)可大到或者略高于額定值；而在江河水溫度較低的情景下，空調(diào)機(jī)組的制冷性能系數(shù)則會提高，且提高范圍能夠達(dá)到6 左右。整體而言，冷卻水使用水源的溫度越低，整個制冷性能系數(shù)則越高。

在針對深井水和江河水溫度測定基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確如果使用深井水作為冷水機(jī)組的冷卻水，則要求打井地點(diǎn)距離供冷建筑物較近，且要求該地區(qū)地下水資源豐富。如果使用江河水作為冷水機(jī)組的冷卻水，則要求江河水取水口與供冷建筑盡量接近，取水口距離水面要有一定的深度，同時輸送管道也需采取一定的保溫措施，否則江河水的水溫則會上升，影響冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在針對大溫差冷卻水對空調(diào)機(jī)組制冷性能影響分析基礎(chǔ)上，能夠得出冷卻水的進(jìn)口溫度越低，冷水機(jī)組的COP 值越高，大溫差小流量冷卻水系統(tǒng)能夠?qū)μ岣呃渌畽C(jī)組的能效比起到積極作用，即使冷卻水的進(jìn)口溫度較高時，大溫差冷卻水系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)也接近常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的額定值，而由于大溫差冷卻水系統(tǒng)的冷卻水泵運(yùn)行能耗降低，同時節(jié)省了冷卻塔能耗，大溫差冷卻水系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢。在近水源地或水資源豐富的地區(qū)，采用深井水、江河水等自然冷源的大溫差冷卻水空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢，具有一定的推廣前景。