冷水側(cè)和冷卻水側(cè)大溫差設(shè)計
近年來大溫差空調(diào)水系統(tǒng)方案受到廣泛關(guān)注?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計標準》（GB 50189-2005）要求冷凍水供、回水溫差不小于5℃，并闡明某些實際工程采用8℃溫差，獲得了良好的節(jié)能效果, 如位于上海浦東地區(qū)的中保大廈。大溫差系統(tǒng)可以減少空調(diào)水系統(tǒng)初投資，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，深受空調(diào)專家推崇，市場發(fā)展前景廣闊。
1. 為什么要大溫差？
大溫差的目的是為了優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備間的能耗配比，在保證舒適度的前提下，減少冷量輸配的能耗，減少冷卻塔和末端空調(diào)箱的能耗，同時降低初投資。大溫差可以在冷水側(cè)，冷卻水側(cè)實現(xiàn)，也可以在空氣側(cè)實現(xiàn)。本文主要介紹冷水側(cè)和冷卻水側(cè)的大溫差。
在過去的30 年中，隨著冷水機組的技術(shù)改進和機載控制技術(shù)的革新，冷水機組的單位冷量能耗大大下降，目前冷水機組的最高效率為0.45kW/Ton 或COP為7.8(Trane ARI 額定工況) 。我們把目光轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在70年代，通常一個冷站的年能耗中，冷水機組所占的比例為73%，冷水泵和冷卻水泵所占的能耗為18%，冷卻塔所占的能耗為9%。當今（2000’s ）的冷水機組，機組的年運行能耗下降了，占機房年能耗的58%，而冷水泵和冷卻水泵（占26%）以及冷卻塔（占16%）占機房能耗的比例上升了。其實水泵和冷卻塔的效率并沒變差，只是
相對于冷水機組的能耗比例上升了。
考慮冷量計算的基本公式，Q = m Cp △T。假定比熱Cp 為常數(shù)。為保持冷量Q 不變，既可以提高水的流量m 并減小溫差△T，也可以降低水的流量且增大溫差。這意味著既可以增加水泵耗功并減少機組耗功，亦可相反，但兩條路的總耗功不一定相同。
為了理解大溫差系統(tǒng)在運行上的低能耗特點，選擇一個1800 冷噸（6329kW）的旅館空調(diào)系統(tǒng)來分析。該旅館設(shè)在上海，全年空調(diào)運行時間為５月至１１月共計7個月。比較兩種系統(tǒng)設(shè)計方案，見表1。
表1兩種系統(tǒng)設(shè)計方案
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系統(tǒng)設(shè)計方案 |
方案1 |
方案2 |
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(常規(guī)溫差) |
(大溫差) |
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供回水溫度 |
冷水7-12℃ |
冷水5-13℃ |
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冷卻32-37℃ |
冷卻32-40℃ |
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3臺冷水機組 |
COP=5.97 冷量2110kW |
COP=5.61 冷量2110kW |
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4臺冷水泵 （三用一備） |
功率55 kW |
功率 37kW |
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流量100 l/s |
流量63l/s |
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揚程320kPa |
揚程320kPa |
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4臺冷卻水泵 （三用一備） |
功率55 kW |
功率37kW |
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流量119 l/s |
流量75l/s |
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揚程280kPa |
揚程280kPa |
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冷卻塔 CTI認證 15227型號 |
功率11 kW |
功率11kW |
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8臺 |
6臺 |
采用System Analyzer 進行全年運行模擬分析，計算全年主機水泵和冷卻塔的運行能耗，見圖1。
圖1 兩種方案的年運行能耗比較
能耗分析表明，采用大溫差以后，冷卻塔的年能耗從460,444kWh降低到353,899kWh，降低23.1%；水泵的年能耗從1,286,796kWh 降低到808,077kWh，降低37.2%；冷水機組的年能耗從3,452,491kWh 上升到3,722,886kWh，增加7.8%；以上三項匯總， 年冷水機房總能耗從5,199,731kWh 降低到4,884,792kWh，降低6.1%。
從上述模擬結(jié)果看，大溫差的系統(tǒng)意在使冷水機組承受相對嚴厲的工況來使系統(tǒng)的其他部分諸如水泵，冷卻塔的能耗得以降低，從而達到系統(tǒng)運行總能耗降低的目的。
2. 低溫低流，使表冷器更冷
冷水的供回水溫度和溫差的設(shè)定要兼顧到冷水機組和末端表冷器的換熱效率。
2.1. 冷水側(cè)或蒸發(fā)器側(cè)大溫差
冷水側(cè)或蒸發(fā)器側(cè)大溫差實現(xiàn)的關(guān)鍵是冷水機組和末端。冷水機組要求能提供低于常規(guī)的冷水出水溫度，如6℃，5℃，4℃等。毫無疑問，現(xiàn)在的冷水機組不但能夠生產(chǎn)低溫水，甚至可以制冰（乙二醇介質(zhì)）。我們相信現(xiàn)代的技術(shù)已完全有能力制造出冷水側(cè)低溫出水，冷卻水側(cè)高溫出水的大溫差機組。那么末端的表冷器是否能夠在低流量，低溫供水的工況下實現(xiàn)大溫差換熱來響應冷水機組的大溫差呢？
2.2. 使表冷器更冷
根據(jù)實驗與分析，冷水側(cè)的大溫差應該是朝著低溫的方向發(fā)展，使表冷器更冷。低冷水溫度可以增加表冷器換熱時冷水與空氣間的對數(shù)溫差，雖然大溫差形成的低流量會降低表冷器的換熱系數(shù)，但總體上，末端的表冷器的換熱量是增加了，因為對數(shù)溫差引起的換熱增加大于流量減少導致的換熱減少，換句話，合理配置低溫低流，換熱充分的末端表冷器在大溫差工況下不但不會增加投資，而且可以降低投資。
在低溫低流下冷量的增加也得益于表冷器盤管內(nèi)的擾流形成。通常，流量減少會使流體在管內(nèi)的擾動減少，管內(nèi)流動從擾流向?qū)恿髯兓@時，在管內(nèi)的擾流器設(shè)置會使水流增加擾動，提高換熱系數(shù)。
3. 高溫低流，使冷卻塔更熱
冷卻水側(cè)大溫差的關(guān)鍵是冷水機組和冷卻塔。冷卻塔選型的主要參數(shù)為水流量G，進入冷卻塔的熱水溫度HWT，離開冷卻塔的冷水溫度CWT，環(huán)境濕球溫度WBT。
3.1. 逼近度
冷卻塔的逼近度Approach 是離開冷卻塔的冷卻水溫度CWT 與環(huán)境濕球溫度WBT 的差值。比如，上海夏季的室外空調(diào)計算濕球溫度是28.2℃，離開冷卻塔的冷水溫度為32 ℃ ， 那么逼近度為3.8 ℃Approach=CWT-WBT=32-28.2℃=3.8℃。
如果環(huán)境的濕球溫度是“驅(qū)動力”，那么離開冷卻塔的冷水溫度就是“結(jié)果”。逼近度體現(xiàn)了冷卻塔換熱過程中的“驅(qū)動力”與產(chǎn)生的“結(jié)果”之間的關(guān)系。在一定的地域，較小的逼近度可以提供較低的冷卻塔冷水溫度，前提是選用較大冷卻塔和較大的冷卻塔風扇，這樣冷卻塔的初投資和運行費用會增加，占地面積增加。
3.2. 冷卻塔的進出水溫差
增加冷卻塔的進出水溫差可以降低冷卻塔的初投資和運行費用，但會使冷水機組的運行效率變差。溫差該設(shè)定多少才比較經(jīng)濟呢？
3.3. 使冷卻塔更熱
較大溫差使得冷卻水系統(tǒng)的綜合效率提高。從常規(guī)的5℃（32/37℃），提高溫差到7℃（32/39℃），8℃（32/40℃），提高了冷卻塔的換熱效率， 降低了冷卻塔、冷卻水泵和相應管路系統(tǒng)的初投資。以1000RT 冷水機組選擇冷卻塔配置方案為例，比較二種方案的結(jié)果見表2，經(jīng)過CTI 認證的國際品牌冷卻塔電腦選型軟件輸出結(jié)果見圖2、圖3。
表2冷卻塔的配置方案比較
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冷卻塔 |
方案1 |
方案2 |
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配置方案 |
(常規(guī)溫差) |
(大溫差) |
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冷卻水溫度 |
32-37℃ |
32-40℃ |
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濕球溫度 |
28.2℃ |
28.2℃ |
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水流量 |
199l/s |
125 l/s |
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冷卻塔 |
4臺 |
3臺 |
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CTI認證 15250型號 |
14.92kW/臺 |
14.92kW/臺 |
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散熱冗余 |
8.2% |
3.4% |
我們發(fā)現(xiàn)，相同的冷卻塔在常規(guī)溫差下需要四臺，但在冷卻水大溫差工況下僅需要三臺。冷卻塔臺數(shù)少了，占地面積小了，總價低了，耗電也少了。
4. 中保大廈大溫差方案簡介
中保大廈位于上海市浦東陸家嘴，是一座高38層，建筑面積為7.3 萬平方米的5A 智能化辦公樓。中保大廈于99 年4 月竣工，選用特靈2 臺1000Ton和1 臺500Ton 的冷水機組，由于采用大溫差小流量系統(tǒng)設(shè)計，不僅節(jié)省了空調(diào)水系統(tǒng)的初投資，而且降低了空調(diào)水系統(tǒng)的整體能耗，每年可節(jié)約人民幣約52.6 萬元。大廈業(yè)主及物業(yè)管理部門對特靈的設(shè)備及節(jié)能效果比較滿意。
4. 中保大廈大溫差方案簡介
該項目的冷凍水溫差為6.8℃、比常規(guī)設(shè)計流量減少26.5%;冷卻水溫差為8℃，比常規(guī)設(shè)計流量減少37.5%。兩種水系統(tǒng)方案的參數(shù)比較見表3
表3兩種水系統(tǒng)方案的參數(shù)比較
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水系統(tǒng)參數(shù) |
常規(guī)方案 |
大溫差方案 |
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冷水溫度（OC） |
7/12 |
6.8/13.6 |
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冷水流量（l/s） |
386 |
284 |
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冷卻水溫度（OC） |
32/37 |
32/40 |
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冷卻水流量（l/s） |
606 |
379 |
使用空調(diào)系統(tǒng)分析軟件SystemAnalyzer模擬該大廈 建筑物的負荷,與實際冷負荷比較,10個月的平均誤差2%左右,最大誤差6.23%。System Analyzer軟件的分析步驟見圖5, 模擬結(jié)果見表4和圖6
使用System Analyzer 空調(diào)系統(tǒng)分析軟件模擬該大廈5 月至10 月的空調(diào)系統(tǒng)運行情況，結(jié)果表明大溫差小流量系統(tǒng)方案可節(jié)約6.9%的空調(diào)系統(tǒng)運行費用，模擬結(jié)果見表5 和圖7 該軟件模擬結(jié)果與該大廈的實際運行情況相接近。
表5兩種水系統(tǒng)方案的耗電量比較
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常規(guī)方案耗 電量(kWH) |
大溫差方案 耗電量(kWH) |
差值% |
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五月 |
518,916 |
487,137 |
6.12 |
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六月 |
549,929 |
515,584 |
6.25 |
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七月 |
557,827 |
518,596 |
7.03 |
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八月 |
653,614 |
606,468 |
7.21 |
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九月 |
515,335 |
482,128 |
6.44 |
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十月 |
486,127 |
445,531 |
8.35 |
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月平均耗電 |
546,958 |
509,241 |
6.90 |
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年度耗電 |
3,281,748 |
3,055,444 |
6.90 |
5. 小結(jié)
由于冷水機組和末端空調(diào)設(shè)備以及冷卻塔的性能改善與技術(shù)進步，在冷水側(cè)和冷卻水側(cè)的大溫差設(shè)計方案，相對于7/12℃和32/37℃的常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計，可以減少空調(diào)水系統(tǒng)初投資，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗?？照{(diào)系統(tǒng)分析軟件的全年運行模擬和冷卻塔的電腦選型結(jié)果表明，冷水側(cè)和冷卻水側(cè)大溫差的設(shè)計方案切實可行，上海中保大廈的實例說明了大溫差設(shè)計的節(jié)能效果。
來源:暖通南社
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