干熱氣候區(qū)的高溫冷水機(jī)組出水溫度研究

徐洲，劉鳴，曾婷婷，王玉嬌

（1. 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院；2. 新疆建筑設(shè)計(jì)研究院）

0 引言

與濕熱氣候區(qū)不同，我國(guó)西北地區(qū)夏季多屬干熱氣候，全年降雨量小，夏季室外空氣較為干燥，含濕量、濕球溫度低，夏季通風(fēng)空調(diào)經(jīng)?？梢灾苯佑檬彝庑嘛L(fēng)除去室內(nèi)的濕負(fù)荷，這一地區(qū)冷水機(jī)組的主要任務(wù)是消除室內(nèi)外顯熱負(fù)荷。由于不需要除濕或除濕量很小，冷水機(jī)組的冷凍水供回水溫度則不需要采用7 ℃～12 ℃，改用高溫的冷凍水即能滿足空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求，這一措施可提高制冷機(jī)組的制冷量、提高能效；此外，冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度密切相關(guān)，其實(shí)際出水溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻塔的名義工況30 ℃～35 ℃，這對(duì)冷水機(jī)組的能效提高，尤其是降低電耗是又一有利因素；所以，干熱氣候區(qū)采用高溫冷水機(jī)組可大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，在這類(lèi)地區(qū)設(shè)計(jì)選擇冷水機(jī)組時(shí)，應(yīng)基于氣候特征和空調(diào)制冷的需求統(tǒng)籌考慮相關(guān)問(wèn)題。

干熱氣候區(qū)的室外空氣干燥，室內(nèi)相對(duì)濕度?。ㄊ覂?nèi)濕度大于室外），即使供水溫度在10 ℃～13 ℃的情況下也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露，這與在潮濕氣候區(qū)的溫濕度獨(dú)立采用16 ℃～21 ℃的高溫冷水機(jī)組[3]要求不同；但與溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)一樣，空調(diào)盤(pán)管處于干工況運(yùn)行，不存在著易產(chǎn)生吊頂水患和因盤(pán)管潮濕納垢而滋生細(xì)菌的缺點(diǎn)。

1 室外空氣設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的正確選用

我國(guó)現(xiàn)行的《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736）［1］等設(shè)計(jì)文件中，規(guī)定夏季空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度（圖1中狀態(tài)點(diǎn)W）是歷年平均不保證50 h的干、濕球溫度，二者各自獨(dú)立、互不相關(guān)。但是，實(shí)際生活中的室外計(jì)算的干、濕球溫度總是同時(shí)出現(xiàn)，相互關(guān)聯(lián)的，在焓濕圖上必須同時(shí)已知二個(gè)空氣參數(shù)，才可確定空氣的全部狀態(tài)參數(shù)。由于定義方式不同，往往導(dǎo)致室外設(shè)計(jì)計(jì)算干濕球溫度值差異很大，這一問(wèn)題在干熱氣候區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，結(jié)果對(duì)空調(diào)制冷設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果影響很大。

美國(guó)供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）［2］的現(xiàn)行手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度和濕球溫度是同時(shí)出現(xiàn)且相互關(guān)聯(lián)，給出不同不保證率分別為0.4 %、1 %及2 %，換算為對(duì)應(yīng)年不保證小時(shí)數(shù)分別為35 h、87 h及175 h，這與我國(guó)暖通規(guī)范采用的累年不保證時(shí)間為50 h不同，為解決ASHRAE規(guī)定不保證小時(shí)數(shù)與我國(guó)暖通規(guī)范的不一致問(wèn)題，筆者利用EXCEL表按照ASHRAE對(duì)不同室外計(jì)算參數(shù)的定義方法，分別找出典型城市累年不保證50小時(shí)的干球溫度與濕球溫度同時(shí)耦合的對(duì)應(yīng)值［4］。當(dāng)計(jì)算常規(guī)冷水機(jī)組和對(duì)應(yīng)的空調(diào)機(jī)組時(shí)，規(guī)定采用以干球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)的濕球溫度（圖1-1中狀態(tài)點(diǎn)Wg）；當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻塔、蒸發(fā)冷卻設(shè)備時(shí)，應(yīng)采用以濕球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)的干球溫度（圖1-1中狀態(tài)點(diǎn)Ws）。冷卻塔、蒸發(fā)冷卻是空氣與水的熱濕交換，水吸收空氣中的熱量由液體變?yōu)樗魵猓? ℃時(shí)，水變成水蒸氣所需的汽化潛熱是2500 kJ/kg），空氣在與水的不斷接觸中，空氣溫度不斷降低，濕度同時(shí)增加，經(jīng)過(guò)充分的熱濕交換后，最終循環(huán)水的水溫、空氣的干球溫度不同程度趨近空氣的濕球溫度，因此，計(jì)算冷卻塔的出水溫度時(shí)，應(yīng)用以空氣的濕球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)的干球溫度來(lái)衡量蒸發(fā)冷卻性能效果的關(guān)鍵性指標(biāo)。對(duì)由于同一濕球溫度出現(xiàn)的日期不同,選用所有相同濕球溫度日期中相對(duì)濕度最高日期對(duì)應(yīng)的干球溫度［5］。論文［6］中，作者曾用以干球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)的濕球溫度方式，分析過(guò)干熱氣候區(qū)的冷水機(jī)組性能與選擇，但這與ASHRAE的標(biāo)準(zhǔn)要求不符。

圖1-1 烏魯木齊夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

圖1-2 蘭州夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

圖1-3 銀川夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

從表1或圖1-1、1-2、1-3可以發(fā)現(xiàn)烏魯木齊、克拉瑪依、蘭州、酒泉、銀川、西寧、呼和浩特七個(gè)城市采用夏季室外空氣干、濕球溫度的定義不同，得出的室外空氣狀態(tài)差異很大，其中采用以干球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)濕球溫度（Wg） 的室外空氣含濕量、濕球溫度最小，以此組數(shù)據(jù)計(jì)算得出同規(guī)格冷卻塔的出水溫度應(yīng)最低；以濕球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)的干球溫度（Ws） 的室外空氣含濕量和濕球溫度略小于我國(guó)定義的室外空氣參數(shù)（W），以此組數(shù)據(jù)計(jì)算得出同規(guī)格冷卻塔的出水溫度略低于W狀態(tài)點(diǎn)的出水溫度。在典型干熱氣候區(qū)，烏魯木齊、克拉瑪依、蘭州、酒泉、銀川等城市三種不同定義的空氣含濕量和濕球溫度之間差異則很大。所以，采用正確的夏季室外空氣計(jì)算干、濕球溫度和含濕量，對(duì)干熱氣候區(qū)的空調(diào)制冷設(shè)計(jì)結(jié)果將產(chǎn)生不可忽略的影響。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)下，各城市夏季室外設(shè)計(jì)計(jì)算的干、濕球溫度和含濕量

2 冷卻塔出水溫度計(jì)算

室外空氣計(jì)算干球溫度與濕球溫度的不同同時(shí)影響冷卻塔的出水溫度，相比之下，濕球溫度的影響更為顯著。根據(jù)傳熱傳質(zhì)的關(guān)系及冷卻過(guò)程中熱量與濕量守恒求解冷卻方程式。常見(jiàn)有辛普森近似積分法、梯形近似積分法、拋物線積分法以及平均焓差法。筆者采用辛普森近似求解法，當(dāng)計(jì)算精度要求不高，△t＜15 ℃時(shí)，可用下式簡(jiǎn)化：

上式中N為冷卻數(shù)，代表冷卻任務(wù)的大小，與周?chē)h(huán)境空氣參數(shù)有關(guān)；△t為冷卻塔進(jìn)出水溫差（℃）i1”-i2代表進(jìn)水溫度的飽和空氣焓與排出塔的空氣焓的差（kJ/kg）；im”-im代 表進(jìn)出水平均溫度下的飽和空氣焓與進(jìn)出塔的平均空氣焓的差（kJ/k g），i2”-i1代表出水溫度下的飽和空氣焓與進(jìn)入塔內(nèi)的空氣焓的差（kJ/kg）；利用N”=A”λm求解冷卻塔出水溫度，N”為冷卻塔特性數(shù)，取決于冷卻塔構(gòu)造；A”、m為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，取決于淋水裝置構(gòu)造、形式尺寸等；λ為氣水比。

取冷卻塔冷卻水流量為100 t/h，△t=5 ℃，采用塑料斜波50×20×60 °—1000，A”=1.59，m=0.67，軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量G為56000 m3/h，實(shí)際淋水面積為 8 m2。根據(jù)辛普森近似求解法及，N=N”得出上述八個(gè)不同城市的冷卻塔出水溫度（℃）。

由表2可知，在以干球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)濕球溫度（Wg）的所有城市冷卻塔的冷卻水出水溫度最低，以此數(shù)據(jù)選擇冷卻塔的規(guī)格會(huì)與冷水機(jī)組匹配偏小，造成機(jī)組的實(shí)際制冷量下降；若采用暖通規(guī)范的室外計(jì)算參數(shù)（W），冷卻塔的冷卻水出水溫度最高（高海拔西寧市除外），勢(shì)必會(huì)使得冷卻塔與冷水機(jī)組匹配偏大，造成浪費(fèi)；只有在以濕球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)干球溫度（Ws） 冷卻塔的冷卻水出水溫度與制冷機(jī)組最匹配，可以保證制冷系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。在以前已發(fā)的論文中，盡管采用了干、濕球溫度相互關(guān)聯(lián)，都是以干球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)濕球溫度進(jìn)行分析計(jì)算的，這一結(jié)論會(huì)誤導(dǎo)工程技術(shù)人員和工程實(shí)際使用的結(jié)果。

表2 各市夏季室外設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的冷卻塔出水溫度（℃）

3 高溫螺桿冷機(jī)出水溫度分析

干熱氣候區(qū)冷卻塔的冷卻水出水溫度隨濕球溫度相應(yīng)降低，冷凍水溫度也同時(shí)提高，在冷水機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器配置不變的情形下，如冷水機(jī)組冷凍水溫度一味提高，勢(shì)必會(huì)減小壓縮機(jī)的壓差，對(duì)于螺桿式冷水機(jī)組，機(jī)組的潤(rùn)滑油回油問(wèn)題至關(guān)重要。須考慮維持一定的壓縮比，才能保證機(jī)組安全正常運(yùn)行。國(guó)家冷水機(jī)組的名義工況是冷凍水進(jìn)出水溫度為7/ 12 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度30/35 ℃，如圖2；對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度為5 ℃，蒸發(fā)壓力為0.35 MPa，冷溫度為37 ℃，對(duì)應(yīng)的冷凝壓力為0.9375 MPa；常規(guī)螺桿冷水機(jī)組的高低壓差近似為0.59 MPa，如圖3。若以R134a制冷劑為例，設(shè)定冷凍水、冷卻水的平均溫度與制冷劑的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度換熱的溫差同為4.5 ℃［7］。如圖3壓焓圖所示。對(duì)于螺桿冷水機(jī)組壓縮機(jī)潤(rùn)滑油泵的正常運(yùn)行與否取決于壓縮機(jī)排氣壓力與吸氣壓力的壓差。壓差達(dá)到0.43 MPa, 油泵停止運(yùn)行［8］， 這是供油靠排氣壓力與吸氣壓力的壓差保證，取能夠使機(jī)組潤(rùn)滑油正常供回油的最小壓差不小于0.4 MPa，確定的機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凍水溫度。在確定了冷卻水出水溫度的條件下，通過(guò)對(duì)比計(jì)算也就確定了可以使螺桿機(jī)組回油正常情況下的最高蒸發(fā)溫度。不同地區(qū)、城市的濕球溫度不同，計(jì)算得出的冷卻塔出水溫度不同，螺桿冷水機(jī)組相應(yīng)的冷凝溫度也不同，按照最小壓差原則即可確定該螺桿冷水機(jī)組在城市的冷凍水最高出水溫度。

圖2 某干熱氣候區(qū)冷水機(jī)組與名義工況出水溫度

圖3 某干熱氣候區(qū)冷水機(jī)組與名義工況壓焓圖

比較表3中的七個(gè)城市，冷卻塔的冷卻水平均溫度越低，冷凍水的允許出水溫度就越低；這對(duì)烏魯木齊、蘭州、酒泉、西寧四城市的冷水機(jī)組冷凍水的最高出水溫度有較嚴(yán)格限制，工程師設(shè)計(jì)高溫冷水機(jī)組時(shí)，不應(yīng)高于此規(guī)定值；對(duì)于克拉瑪依、銀川、呼和浩特三城市由于濕球溫度相對(duì)較大，冷凍水的允許最高出水溫度已很高（大于16 ℃），空調(diào)工程上一般不會(huì)設(shè)置如此高的冷凍水供水溫度，這一限制溫度的參考意義不大。

表3 不同城市冷凍水出水溫度

表3中給出的最小壓差是一安全數(shù)值，受制冷劑、壓縮機(jī)等因素影響，各企業(yè)冷水機(jī)組產(chǎn)品的最小壓差未必一樣，所以，工程上，干熱氣候區(qū)機(jī)械制冷的空調(diào)冷凍水設(shè)計(jì)溫度和設(shè)備規(guī)格選用，不僅要滿足空調(diào)系統(tǒng)的顯熱、潛熱負(fù)荷的要求，還要結(jié)合各地室外濕球溫度與選用產(chǎn)品的提出控制下的最小壓差，求出實(shí)際的最高冷凍水供水溫度，才能保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

當(dāng)然，系統(tǒng)冷凍水的水溫并非越高越好（銀川、呼和浩特、克拉瑪依），過(guò)高的冷水進(jìn)水溫度會(huì)降低機(jī)組盤(pán)管的冷卻能力，造成末端盤(pán)管規(guī)格偏大；使得單位風(fēng)量所能提供給室內(nèi)的制冷量降低，這會(huì)增加風(fēng)機(jī)的能耗和噪聲，降低系統(tǒng)整體能效；當(dāng)盤(pán)管冷水溫度低于工作環(huán)境空氣露點(diǎn)3.0～6.0 ℃時(shí)，盤(pán)管表面處于干工況, 又能充分利用盤(pán)管的冷卻能力［9］。故確定合適的冷凍水進(jìn)水溫度對(duì)于冷水機(jī)組選擇和空調(diào)系統(tǒng)有著重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

在干熱氣候區(qū)，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)氖彝鈿庀髤?shù)，冷卻塔出水溫度應(yīng)以室外空氣濕球溫度為主同時(shí)耦合對(duì)應(yīng)干球溫度為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)工況與國(guó)家現(xiàn)行冷水機(jī)組的名義工況差別巨大，采用高溫冷水時(shí)機(jī)組的實(shí)際性能COPn、NPLV有很大提高，并涉及到安全運(yùn)行問(wèn)題，另外，工程師無(wú)法直接采用國(guó)家現(xiàn)行冷水機(jī)組的名義工況數(shù)據(jù)，能效考核依據(jù)也不一樣?；谶@些特殊性，建議制定出國(guó)家干熱氣候區(qū)的冷水機(jī)組名義工況及能效考核標(biāo)準(zhǔn)。