淺談冷卻水溫條件參數在冷源系統(tǒng)中的應用

顧懿卿 任爾媛

淺談冷卻水溫條件參數在冷源系統(tǒng)中的應用

顧懿卿 任爾媛

（上?，F代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司 上海 200041）

通過國家規(guī)范對冷卻水的溫度要求、分析冷卻水溫對水冷式制冷機組運行狀態(tài)、性能的影響等方式，確定冷卻水溫2個重要溫度控制值，并將該2個值作為冷卻水在冷源系統(tǒng)中運行策略的切換點。為進一步說明如何實現冬夏兩季轉換中的正常運行，以上海地區(qū)為例，以全年運行為周期，對冷卻水運行策略進行分析。

空調冷卻水；冷卻水溫度控制及切換值；冷卻水全年運行策略；兩季轉換

0 引言

在空調冷源設計中，水冷式冷水機組是最傳統(tǒng)最可靠冷源系統(tǒng)，也是應用最廣泛的一大系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)，經冷卻塔處理后的冷卻水必不可少；與此同時，合理設置空調冷卻水的運行策略，不僅可以提高冷水機組運行的穩(wěn)定，更能在過渡季節(jié)對常年供冷區(qū)域提供免費冷源。本文通過對冷卻水的運行策略分析，以實現季節(jié)轉變中，冷水機組能正常運行。

1 冷卻水溫變化原理

目前，空調冷源系統(tǒng)中的冷卻水均在冷卻塔內通過水與空氣接觸進行蒸發(fā)冷卻獲得。其中，根據水與空氣的接觸方式不同，分為開式冷卻塔（空氣與水直接接觸，進行熱濕交換）和閉式冷卻塔（即水在盤管內流動，不與空氣進行直接接觸進行熱交換）。根據開式冷卻塔與閉式冷卻塔間不同的工作原理可見，在利用冷卻水免費供冷時，開式冷卻塔冷卻塔冷卻水由于直接與室外空氣接觸、易受污染，為保證水質，需要設置板式熱交換機組間接供冷，導致1～2℃的換熱溫差；而閉式冷卻塔，由于塔內未直接接觸空氣，可直接供冷，減少1～2℃的換熱損失，但由于初投資約為開式冷卻塔的3倍，回收效益低，且在免費供冷時對溫度的要求與極端情況不同。因此，對于常規(guī)的民用建筑，在空調冷源系統(tǒng)中，一般選用開式冷卻塔獲取低溫冷卻水。

2 冷卻水溫條件參數在冷源系統(tǒng)中的應用

2.1 冷卻水溫對冷水機組的性能影響

根據制冷系統(tǒng)“逆卡諾循環(huán)”的原理，冷卻水主要用于吸收冷凝器排出的熱量。對此，冷卻水溫對冷凝溫度有直接影響，而冷凝溫度每升高1℃，能耗將增加3%。如圖1所示，以采用冷媒R134a的水冷式冷水機組為例，將冷凝溫度對系統(tǒng)的影響加以分析。

如圖1可知，在相同情況下，隨著冷凝溫度的降低，單位制冷量上升，單位做功下降，對應的機組COP值有所上升。

圖1 冷水機組常用的環(huán)保冷媒R134a壓焓圖

圖2～4在相同條件下，通過對某一型號的螺桿式冷水機組，在6/13℃冷凍水供回水溫度下，進行在不同冷卻水進出水溫（15/20～40/45℃）變化的工況下，對其相應的制冷量、耗電量及COP值變化進行分析總結。

圖2 不同冷卻水溫下的冷水機組制冷量

圖3 不同冷卻水溫下的冷水機組耗電量

圖4 不同冷卻水溫下的冷水機組COP值

從圖2～4分析可得：（1）冷水機組的制冷量隨冷卻水溫的降低而升高，在冷卻水進出水溫15/20℃時制冷量最大；（2）冷水機組的耗功率隨冷卻水溫的降低而降低，在冷卻水進出水溫15/20℃時，能耗最小；（3）對應機組的COP值隨冷卻水溫的降低而升高，在冷卻水進出水溫15/20℃時最高。

盡管如此，冷卻水在冷水機組運行中，亦不能無限制的降低，這主要由于冷水機組內的蒸發(fā)器和冷凝器正常工作時需要存在一定的壓差，即冷凝壓力＞蒸發(fā)壓力；因此，冷卻水溫與冷凍水溫間對應需要存在一定的溫差。因此，對于冷水機組而言，當冷卻水溫低于一定溫度后，制冷機組無法正常運作，自動停機保護。

2.2 冷卻水2個重要溫度控制值設定

對于冷卻塔系統(tǒng)，主要討論2個溫度點的設定值：（1）進入冷機最低冷卻水溫；（2）冷卻水工況切換溫度。

2.2.1 進入制冷機組最低冷卻水溫值確定（設定值1）

通過2.1中冷卻水溫對冷水機組制冷量、耗電量、COP值的影響分析，已知冷卻水溫的降低對冷水機組的制冷量、耗電量、COP值有一定積極作用，但不能低于冷水機組的最低運行溫度。根據國標《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736 8.6.3條文指出“1）冷卻水進口最低溫度應按照制冷機組的要求確定，電動壓縮式冷水機組不宜小于15.5℃；2）電動壓縮式冷水機組的冷卻水進出口溫差不宜小于5℃”；結合多家設備制造商提供設備運行性能總結，大部分情況當冷卻水溫低于13，冷水機組自動停機保護，無法正常運行。因此，本文將15℃作為溫度控制值1，即進入制冷機組的最低水溫。

2.2.2 系統(tǒng)工況切換溫度控制值確定（設定值2）

系統(tǒng)工況切換溫度是指從常規(guī)的冷水機組供冷切換到冷卻塔供冷時的冷卻水溫。對于，常年需要供冷的房間（如存在大量內區(qū)的商業(yè)體或常年存在散熱的機房等），當冷卻水進水溫度≤某一值后，可自動切換到冷卻水免費供冷模式，以達到節(jié)能效果；同時，在冬夏轉中，通過該值的確定，能夠是供冷系統(tǒng)順利地從免費供冷過渡到主機供冷。在相同冷卻塔性能條件下，在全年運行過程中，該值與室外環(huán)境濕球溫度有關；同時，該值的選擇直接關系到系統(tǒng)可利用免費供冷小時數，而供冷小時數與所在地全年氣候狀況有關。

本文以上海地區(qū)為例，該地屬于夏熱冬冷、沿海地區(qū)，由于夏季室外空氣濕度較大，空調系統(tǒng)除了承擔顯熱負荷外，仍需承擔大量的潛熱負荷（即除濕）。因此，在常規(guī)的空調系統(tǒng)中，冷水機組需提供≤7℃的冷凍水，接入空調箱內的表冷器，進行冷卻除濕。隨著氣候轉變，室外濕球溫度地降低，空氣中的含濕量也逐步減少，空調系統(tǒng)從除濕處理轉變?yōu)榧訚裉幚?。因此，在過渡季節(jié)或冬季，適當提高冷凍水溫，對舒適性的毫無影響。另外，溫度設定值2還需滿足兩種運行工況切換的兼容性；當主機冷卻水全部旁通后仍無法滿足≥15℃的最低進水溫度時，即可作為免費供冷的切換點，考慮到冷卻水以5℃溫差運行，因此，本文采用10℃作為冷卻水免費供冷的工況切換溫度。

另外，冷卻塔出水的逼近度與其填料尺寸，室外濕球溫度有關，常規(guī)的逼近度取3℃；因此取室外球溫度為7℃作為免費供冷全年累計小時數的起始溫度，如圖5可得，上海地區(qū)全年室外濕球溫度≤7℃，主要分布于11月至次年3月，即可在該段時間內準備啟動冷二水免費供冷模式；根據圖6上海全年各級濕球溫度累計小時分布圖，當室外濕球溫度≤7℃為2156h，約占了全年的24.6%，約為一個季度。

圖5 上海地區(qū)逐時濕球溫度及對應逐時溫差℃-h

圖6 上海全年各級濕球溫度累計小時分布圖

3 冷卻水溫控制

冷卻水溫的控制以實現：在四季溫度變化時，冷水機組及免費供冷能正常運行，滿足大樓使用需求。

3.1 控制原理

冷卻水溫的控制方式很多（如風機運行臺數，冷卻塔開啟臺數控制等），這里主要討論旁通冷卻水回水方式控制溫度。為了實現這一控制方式，需要測量冷卻水供水水溫，通過一個閉式反饋環(huán)路來調節(jié)閥門開度，最終對冷卻水溫進行控制，如圖7所示。

圖7 冷卻水溫控制反饋回路流程圖

如圖7，整個控制過程通過溫度探測器采集冷卻水溫，AI/DI輸入PLC編程器內，與設定值set比較后，根據PLC內的控制器的控制程序，進行AO/DO地輸出（為滿足響應速度及消除偏差，控制器通常選用PID型）；對執(zhí)行機構（調節(jié)電動兩通/三通閥的開度）發(fā)出操作指令，以調節(jié)被控對象冷卻水溫，使其達到設定值要求范圍內，為了避免閥門啟動后，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的頻繁操作，設置0.5℃的溫度變化震蕩范圍。另外，由于冷卻水溫受環(huán)境濕球溫度影響，因此對于一些要求高的場所，對濕球溫度進行實時監(jiān)測，將對濕球溫度探測值作為系統(tǒng)的前饋控制探測點，以提高系統(tǒng)的響應速度。

3.2 冷卻水溫控制邏輯

以全年為周期，分析冷卻水在冷源系統(tǒng)中的運行情況，可分為制冷機組供冷、冷卻水免費供冷、免費供冷與制冷機組串級聯合供冷三種情況；其中，對于每次測點溫度超出設定值范圍進行調控時，都需要設置一個時間閾值，以穩(wěn)定系統(tǒng)，避免系統(tǒng)在某一波動時產生的非穩(wěn)定值，造成系統(tǒng)震蕩，閥門來回操作；當不滿足時間閾值，流程圖自動返回上級框。系統(tǒng)圖及運行策略邏輯圖如圖7、8所示。

圖中，CRg為冷卻水供水，即進入冷凝器；CRh為冷卻水回水，即進入冷卻塔；T1/T2/T3為溫度探測器，用于測量冷卻水供水溫度；V1/V2為電動合流三通調節(jié)閥，用于調節(jié)冷卻水供水溫度；Va/Va’/Vb/Vb’/Vc/Vc’/Vd/Vd’為電動兩通閥，用于控制工況運行；V3為電動兩通調節(jié)閥，用于調節(jié)冷卻水供水溫度。

根據該流程圖，主要運行策略為：大部分時間為冷水機組、免費制冷獨立運行，僅當冬季到夏季轉換中的過渡季節(jié)，即室外濕球溫度在（10℃，15℃）時，為保證冷凝器的進水溫度，在交變一瞬間進行聯合運行，具體的閥門動作狀態(tài)如表1所示。

圖8 冷卻水在冷源中應用流程圖

表1 冷卻水在冷源系統(tǒng)中應用的閥門動作表

此外，值得一提的是，對于需要全年運行的冷卻塔，為了確保塔內及供水不結凍，仍需對冷卻塔設置電加熱。

4 結論

冷卻水溫對空調供冷系統(tǒng)意義極大。一方面，冷卻水承擔除冷凝器散熱量，隨著其溫度的降低，制冷量、COP值均有所上升，并當其進出水溫度為15℃/20℃時，制冷效率處于峰值；另一方面，對于常年需散熱或存在內區(qū)的建筑，以上海地區(qū)為例，在過渡季節(jié)（主要11月～次年3月），以10℃作為系統(tǒng)工況的切換溫度設定值，對應室外濕球溫度為7℃，可進行2156h免費供冷，在滿足舒適性的前提下，達到節(jié)能效果。為實現制冷機組與冷卻水免費供冷，其是兩季交替時的工況切換，本文設定了2個冷卻水溫度控制點，進行系統(tǒng)運行策略分析。

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Application of Cooling Water with Different Temperature in Cold Source of HVAC

Gu Yiqing Ren Eryuan

(Shanghai Xian Dai Architecture, Engineering & Consulting Co., Ltd, Shanghai, 200041 )

In the text through the national code and analysis of the effect of cooling water’s temperature on the main performances of water-cooled chiller, 2 important control-temperature of cooling water are confirmed, which are considered as switch point in operation strategy of cooling water in cold source，too. Furthermore, we make an example to analyze the operation strategies in operation time of one yean in Shanghai in order to explain in detail how to realize that the cold source run normally in the whole operation time, especially during the season transition, from summer to winter or vice versa.

cooling water in HVAC; controlled and switched temperature points of cooling water; operation strategies of cooling water; season transition

1671-6612（2021）03-456-05

TU931

A

顧懿卿（1976.11-），男，本科，高級工程師，E-mail：yiqing_gu2@xd-ad.com.cn

2020-08-20