112试论空调大温差空调水系统的设计和应用

试论空调大温差空调水系统的设计和应用中国海诚工程科技股份有限公司郭勇摘要：在采用集中冷源的空调工程中，通常采用7oC/12oC进行冷水系统的设计。近年来，随着技术的发展，大温差空调水系统得到了广泛的应用，所采用的温差多在7~10oC的范围内。在大温差的系统中，减小了水系统的输送流量和输送动力，也减小了冷水系统的管径，可以有效的节约水系统运行的能耗和初投资。但是，水系统温差的变化，也会影响冷水机组和空调末端的设备性能。本文将以冷水供回水温度为5oC/13oC的大温差水系统为例，进行设备选择和运行特性的分析，并给出工程应用的实例，供设计参考。关键词：大温差能耗工程应用1设备选择的分析1.1冷水机组的选择：在设计工况下，压缩机和蒸发器之间将逐渐建立系统的平衡：如果压缩机制冷能力比蒸发器大，则排出的蒸发制冷剂比蒸发器内蒸发的制冷剂液体多，蒸发压力和温度逐渐下降，直到压缩机的吸气流量正好等于蒸发器蒸发的制冷剂质量流量；反之，如果所选的蒸发器制冷能力比压缩机大，会有相反的平衡过程。下面采用对数平均温差法来校核相对于7oC/12oC的进出水条件，在5oC/13oC的大流量工况下蒸发器的传热量变化：蒸发器的传热有以下计算公式：Q=KF▽Tm。不同工况下对数温差的变化为：供回水温度7oC/12oC时，▽Tm=4oC.供回水温度5oC/13oC时，▽Tm=4.97oC。再考虑传热系数K的变化：以满液式蒸发器为例，制冷工质的状态为池内饱和沸腾换热，管外表面的平均换热系数为ho=C（Qev/Ao）n，与蒸发器的热通量有关；管内水侧的换热为充分发展的管内受迫流动换热，Nur=0.023Re0.8Pr0.3，即管内换热系数与水流速的0.8次方成正比，所以管内换热系数减小为原有的(0.625)0.8=0.687。根据相关资料，蒸发器水侧热阻约占总热阻的35~40%，因此总热阻约增加为原有的1.2倍。综合传热温差和传热系数的影响来看，蒸发器的容量可以满足要求。所以，相比较而言，在5oC/13oC的大流量工况下，只有压缩机的输入功会略有增加，而换热设备可以满足使用要求1.2冷冻水泵的选择：随着水系统温差的加大，所需冷水泵循环流量大幅下降，采用8oC温差时，冷水流量为5oC常规温差系统的62.5%。同时水泵所需扬程也会有一定幅度的下降，这主要是由于在大流量工况下，冷水机组的阻力损失会有较大的下降，空调机组的阻力也有一定程度的下降，根据工程应用上的资料，总的减少的幅度约在30~60kpa.而冷冻水管道的设计是根据流量控制经济比摩阻的方法选用的，所以管道的损失变化不大，可以不予考虑。1.3组合式空调机组的选择：表冷器的传热系数是迎面风速、析湿系数及水流速的函数，即K=〔(1/Avm§n)+(1/BW0.8)〕-1。对于总的传热量而言，在大温差的工况下，存在着水流速减小带来的传热系数减小和对数传热温差增加两种不同趋势的影响。根据相关资料提供的实验结果，对于8排管表冷器而言，在5oC/13oC和7oC/12oC两种工况下的表冷器的全热制冷量和显热制冷量基本相等，出风参数满足使用要求，对于6排管的表冷器而言，传热效果也是接近的。可以认为，只有少数的空调机组需要采用增加表冷器排数或者改变表冷器结构等方法来加强传热。1.4风机盘管的选择：随着冷水温差的加大和流量的减少，风机盘管盘换热系数的降低非常明显，制冷量也迅速降低。同时风机盘管由于冷却盘管排数较少，空气紊流没有充分发展，所以表面换热热阻也较大。根据相关实验数据，在7oC/12oC与5oC/13oC两种工况下，风机盘管的全热制冷量相近，但是潜热制冷量后者约为前者的70%，即在部分情况下除湿量不能满足使用要求2运行能耗的分析2.1冷水机组能耗的变化：根据制冷原理，随着冷水出水温度降低，冷水机组蒸发温度相应降低，制冷循环中压缩功与节流损失增加，一般降低1oC蒸发温度，耗功约有3%的上升。不过，由于技术的发展，大型冷水机组的能效比越来越高，从而冷水机组的能耗在空调系统能耗中所占的比例也呈下降的趋势，这也是采用大温差水系统的有利因素。以下为某厂家的离心式冷水机组在两种工况下的性能参数输入功率蒸发器水流量m3/h蒸发器水压降kpa冷凝器水流量m3/h冷凝器水压降kpa耗功变化kw工况a工况b工况a工况b工况a工况b工况a工况b工况a工况b400RT25227224115151362891826840+20500RT31532730118891273612278640+12600RT35637736222645244292705045+21700RT42544042226475325013166748+25800RT49052748230163505743638761+37900RT54158554333983246434088520+44说明：工况a条件是：冷水供回水温度7oC/12oC，冷却水供回水温度32oC/37oC工况b条件是：冷水供回水温度5oC/13oC，冷却水供回水温度32oC/40oC从上表中可知，工况b与工况a相比，制冷机组耗功增加在12~45kw之间，约为4~8%，2.2水泵能耗的变化：根据上述冷水机组性能表，以400RT/600RT/800RT的冷水机组为对象来选择对应的冷水泵和冷却水泵，如假定除冷水机组外冷水管路的阻力为220kpa,冷却水管路的阻力为200kpa，所选水泵参数见下表：冷水泵冷却水泵耗功变化kw流量m3/h扬程m功率kw流量m3/h扬程m功率kw冷水泵冷却水泵400RT（a）26032373103045-15-23400RT（b）16530222002722600RT（a）39032554702855-18-18600RT（b）25030373002837800RT（a）52034756203275-20-20800RT（b）33032554003055从上表可见，冷水泵及冷却水泵耗功约减少15~23kw,约为25~30%2.3空调机组能耗的变化：如前所述，在大温差系统中只有很少的情况需要更换空调机组设备；同时，由于采用大温差系统，也为加大空调送风温差减小送风量提供了条件。总的来看，在能耗比较中，可以忽略空调机组能耗的变化2.4风机盘管能耗的变化：由以上分析，在大温差系统中有部分风机盘管需要加大一档来满足使用要求，这样做增加了初投资，也增加了运行能耗。所以，在以风机盘管为主的空调系统中采用大温差水系统需要更为详细的计算和分析。当然，也可以采用一些技术措施来解决这个问题，例如，在水系统中，采用风机盘管和新风机组串联的方式，风机盘管的供回水温度为5oC/10oC新风机组的供回水温度为10oC/15oC。2.5空调管路冷量损耗的影响：供水温差加大后，空调水系统管径减小，与空气接触面减小，相应的冷量损耗减小。3工程实例苏州中翔国际家具广场是集办公、购物、娱乐为一体的大型商业建筑，地下二层，地上二十三层，总建筑面积290，000平方米。整体为长方形，东西向约380米，南北向约150米。裙房地下二层，地上四层，裙房建筑面积约180，000平方米。根据业主要求，裙房区域设置集中空调制冷系统，经计算，空调冷负荷为7500RT，选用2000RT离心式冷水机组3台，800RT冷水机组2台。空调水系统采用二次泵变流量系统，空调冷水供回水温度采用5oC/13oC，空调冷却水供回水温度采用32oC/40oC。空调风系统为全空气定风量形式。每层约有18个机房，空调机组约130台。设计选用大温差空调水系统。与5oC温差的空调水系统相比，在设计负荷下的耗功变化见下表制冷机耗功kw冷水泵耗功kw冷却水泵耗功kw总耗功变化kw常规温差工况44781230910大温差工况4786850630耗功变化352-380-280-308说明：冷却塔的耗功略有降低，影响较小未计入4结论4.1在集中冷源的空调系统中，合理采用大温差水系统可以节约设备的运行能耗，也可以节约空间、方便设计，在有条件的工程中应该积极应用。4.2大温差系统适合于供冷半径较大的大型建筑，可以有效地减少冷水输运系统的能耗。4.3在末端设备以空调机组为主的工程中，比较适合采用大温差空调系统，在以风机盘管为主的工程中，采用大温差系统需要做更详细的分析参考文献[1]、空调与制冷技术手册[M]汪善国著李德英译2005[2]、冷水大温差对表冷器及风机盘管性能影的响[J]于丹、陆亚俊《暖通空调》2004.34(3):77~79