賴文彬

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州510010)

1 前言

隨著建筑體的增大，空調(diào)系統(tǒng)的管路越長，冷凍水的輸送能耗就越大，為了控制系統(tǒng)的輸送能耗，在現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范對(duì)系統(tǒng)的輸送能耗有了很明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)師為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)也為了能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在大型公共建筑中冷凍水采用大溫差已經(jīng)是屢見不鮮的事了，也似乎成了一種常態(tài)。實(shí)際上，是不是每個(gè)系統(tǒng)都適合采用大溫差的系統(tǒng)?是不是采用大溫差的系統(tǒng)就是一定節(jié)能?同時(shí)采用多大的溫差系統(tǒng)才能滿足或達(dá)到最終的節(jié)能目的?在此筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)師在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有必要進(jìn)行分析。

2 冷凍水系統(tǒng)輸送能耗分析

筆者統(tǒng)計(jì)了幾個(gè)典型的項(xiàng)目來分析空調(diào)系統(tǒng)中各部分的能耗比例 (見表1)

表1 空調(diào)系統(tǒng)能耗比例

從表1我們可以發(fā)現(xiàn):按常規(guī)的5℃溫差設(shè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，冷凍水泵的能耗均在10%，8℃溫差設(shè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，冷凍水泵的能耗在7.7%。很據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189的規(guī)定:冷凍水系統(tǒng)輸送能效比:

ER=0.002342H/(△t.η)≤0.0241

一臺(tái)軸功率為160kW的水泵，其效率可達(dá)86%，如果冷凍水仍采用5℃溫差，這時(shí)揚(yáng)程最多只有440 kPa。顯然在大型的建筑中，這個(gè)揚(yáng)程無法滿足使用要求，同時(shí)水泵占的能耗比例也會(huì)相應(yīng)的增加，而水泵的效率難以再提高，這時(shí)就要提高供回水溫差。

在此之前，有人做過分析:只有在水泵揚(yáng)程大于31.7m時(shí)，實(shí)施10℃大溫差系統(tǒng)才有節(jié)能的效果［1］。然而筆者認(rèn)為，在不考慮末端設(shè)備的情況下，我們不懷疑這個(gè)結(jié)果的正確性，然而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，冷凍水溫度的變化，對(duì)末端設(shè)備的出力能力會(huì)帶來影響，同時(shí)也就影響到能耗。筆者認(rèn)為，我們有必要結(jié)合末端設(shè)備的性能對(duì)冷凍水溫度及溫差做綜合的分析。

3 冷凍水溫分析

3.1 冷凍水出水溫度及溫差對(duì)冷水機(jī)組效率的影響

冷凍水系統(tǒng)的出水溫度取決于末端設(shè)備的熱、濕負(fù)荷的需求和制冷機(jī)組的效率。在廣州地區(qū)，濕度較大，冷凍水溫不能設(shè)得太高。但冷凍水溫設(shè)得太低，制冷機(jī)組的制冷效率又降低。

筆者以7034kW(2000RT)的離心機(jī)組為例分析溫差及出水溫度對(duì)主機(jī)效率的影響:圖1為冷水機(jī)組冷卻水溫恒定在32/37℃時(shí)，各冷凍水溫的機(jī)組效率曲線。

圖1 幾種冷凍水工況下某大型主機(jī)廠家提供的效率曲線

從圖中可發(fā)現(xiàn):冷凍水溫為6/13℃、6/14℃、6/16℃時(shí)制冷機(jī)組的效率曲線是重疊的，4/14℃、4/9℃時(shí)制冷機(jī)組的效率曲線是重疊的，9/14℃時(shí)機(jī)組的效率明顯高于其它兩條曲線。這表明制冷機(jī)組的效率與出水溫度關(guān)系緊密，出水溫度越低，效率越低，但與溫差沒有直接的關(guān)系?；厮疁囟燃斑M(jìn)出水溫差對(duì)效率影響很小。同樣是雙程管、10℃溫差的主機(jī)，出水溫度從6℃下降到4℃，效率下降了12.7%。所以，我們應(yīng)盡量提高冷凍水的出水溫度。

3.2 冷凍水出水溫度及溫差在水泵側(cè)的節(jié)能效果

對(duì)水泵作總體的分析:

式中:

N—軸功率，kW;

L—流量，m3/s;

P—壓頭，kN/m2;

η—泵的效率

假定泵的壓頭和效率在各溫差下一致，則:

式中:

Q—熱量，kW;

△t—冷凍水進(jìn)出水溫差，℃

也就是說水泵的軸功率與溫差成反比，溫差為8℃時(shí)比溫差為5℃時(shí)水泵節(jié)省了37.5%，溫差為10℃時(shí)比溫差為5℃時(shí)節(jié)省了50%。而事實(shí)上，由于牽涉到系統(tǒng)的平衡問題，大溫差時(shí)我們有必要對(duì)管路中的比摩阻進(jìn)行控制，大溫差時(shí)系統(tǒng)的阻力會(huì)較小溫差時(shí)更低，當(dāng)然水泵的效率也會(huì)有所變化，但綜合兩者的變化，通過水泵的選型，我們發(fā)現(xiàn)水泵的節(jié)能率將大于37.5%和50%，整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能率將大于3.7%和5%。

3.3 室內(nèi)負(fù)荷對(duì)冷凍水溫度的影響

我們以廣州某圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻的辦公建筑為例來分析末端空調(diào)負(fù)荷對(duì)水溫的要求。

該項(xiàng)目位于廣州市區(qū)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為純玻璃幕墻，其中塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的逐時(shí)負(fù)荷由計(jì)算可知:室內(nèi)總熱量為83.6kW，余濕量為21.7g/s，要求室內(nèi)空氣狀態(tài)為:室內(nèi)溫度 tn=25℃，相對(duì)濕度為55%，新風(fēng)量為4000m3/h。采用全空氣系統(tǒng)，一次回風(fēng)處理，露點(diǎn)送風(fēng) (90%)。

冷凍水需要的初始水溫:

式中:

tg1、tg2—空氣初、終干球溫度;℃

tw1—冷凍水初溫;℃

Eg—表冷器全熱交換效率

假定水流速:

ν=1.2m/s。我們通過選擇一標(biāo)準(zhǔn)的 (JW型)水冷式表冷器作為計(jì)算型號(hào)。通過熱工計(jì)算可得出:系統(tǒng)選用JW型水冷式表面冷卻器4排管、迎面風(fēng)速為2.37m/s時(shí)冷凍水的初始水溫和終溫為 (具體的計(jì)算步驟及方法參考文獻(xiàn) ［2］，由于篇幅較長，這里就不逐一列出):

冷凍水初溫:tw1=6.54℃，

終溫:tw2=11.19℃，

溫差△t=4.65℃，

選取表冷器實(shí)際處理能力Q=129.2kW。

這就證明在室內(nèi)散濕量不大的情況下，空調(diào)冷凍水出水溫度在6.85℃以下，即可滿足對(duì)室內(nèi)空氣的處理要求。

如果選用JW型水冷式表面冷卻器6排管，則迎面風(fēng)速變?yōu)?.30m/s，冷凍水的初始溫度將升高到10.63℃，即:

冷凍水初溫:tw1=10.63℃，

終溫:tw2=15.28℃，

溫差△t=4.65℃，

選取表冷器實(shí)際處理能力Q=129.2kW。

由此可知增加表冷器的排數(shù)，可以提高冷凍水的供水溫度，但供回水溫差及處理能力仍保持一致。

如果室內(nèi)的熱濕比增大，如上面的案例顯熱量增大20%，散濕量不變，則冷凍水初始溫度變?yōu)?tw1=11.2℃即能滿足要求。

從分析的過程我們可以知道盤管型號(hào)固定后，顯熱量越大，冷凍水需要的初始溫度就越高。

還是用上面的案例，我們?cè)賮碜鲆唤M計(jì)算:

當(dāng)風(fēng)量、空氣的初始參數(shù)、冷凍水的供水溫度確定時(shí)，選用JW型水冷式表面冷卻器6排管，水終溫及處理能力 (具體的計(jì)算步驟及方法參考文獻(xiàn) ［2］):

當(dāng)冷凍水初溫tw1=6℃，初始計(jì)算溫差為△t=5℃時(shí):

選型校核計(jì)算結(jié)果:

水終溫tw2=12.6℃，

實(shí)際處理能力Q=170.4kW。

當(dāng)冷凍水初溫tw1=6℃，初始計(jì)算溫差為△t=10℃時(shí):

選型校核計(jì)算結(jié)果:

水終溫tw2=16.5℃，

實(shí)際處理能力Q=136.0kW。

顯然，當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，冷凍水的溫差增大，表冷器的產(chǎn)冷量下降，要保持產(chǎn)冷量勢(shì)必要加大表冷器的排數(shù)或增大翅片的密度，而兩者均會(huì)加大末端設(shè)備的風(fēng)路的阻力，從而加大風(fēng)系統(tǒng)的耗功。

在以上計(jì)算的過程和結(jié)果中，我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題:

(1)如果把空氣處理至90%的相對(duì)濕度時(shí)，選用6排的表冷器即能滿足要求，但把空氣處理至95%的相對(duì)濕度時(shí)，則需選擇8排的表冷器才能滿足要求。

(2)增加表冷器的排數(shù)，可以提高冷凍水的供水溫度，但供回水溫差仍基本保持一致。

(3)如果室內(nèi)負(fù)荷的熱濕比加大時(shí)，所需送風(fēng)量加大，需要冷凍水的初始溫度升高。

(4)當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，冷凍水的溫差增大，表冷器的產(chǎn)冷量下降，如果要保持制冷量不變，則需增加盤管的排數(shù)或片距。

以上的分析結(jié)果及過程中發(fā)現(xiàn)的問題均表明:冷凍水所需要的出水溫度及最大溫差決定于末端負(fù)荷特性及表冷器的處理能力和空氣的最終處理目的。

4 風(fēng)系統(tǒng)的能耗分析

我們查看表冷器的空氣阻力可以發(fā)現(xiàn):仍以JW型盤管為例，迎面風(fēng)速在2.5m/s時(shí)，當(dāng)盤管排數(shù)由6排增加到8排，干冷空氣阻力將由82.2Pa增大到117.2Pa，增加了42.6%。濕冷空氣阻力將由 170.5Pa增加到 213.8Pa，增加了25.4%。水側(cè)阻力增加了39%。也就是說僅因?yàn)轱L(fēng)系統(tǒng)的能耗加大就使整個(gè)系統(tǒng)的能耗增大的幅度超過6%和3.8%，顯然這個(gè)數(shù)和前面計(jì)算得出的水泵節(jié)能率相差無幾，再加上水側(cè)阻力的增大將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的總能耗更大。

5 結(jié)論

總結(jié)以上的分析，我們得到以下結(jié)論:

1)提高冷凍水溫，主機(jī)能耗降低，末端設(shè)備的能耗增加;

2)加大冷凍水溫差，水泵的能耗降低，末端設(shè)備的能耗增加。在實(shí)際的選型中，如果因?yàn)樗疁氐淖兓瘜?dǎo)致表冷器的排數(shù)增加或風(fēng)量的加大，則系統(tǒng)未必節(jié)能，甚至加大能耗。

所以筆者認(rèn)為:冷凍水的最低出水溫度和最大溫差取決于末端負(fù)荷的特性及末端設(shè)備的選型。系統(tǒng)的節(jié)能效果應(yīng)根據(jù)末端負(fù)荷的特性綜合分析計(jì)算主機(jī)、水泵及末端設(shè)備的能耗，尋求出一個(gè)最節(jié)能的溫度點(diǎn)，系統(tǒng)才能真正的節(jié)能。提高主機(jī)冷凍水的出水溫度及加大進(jìn)出水溫差并不一定能降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

［1]周亞素，陳沛霖.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)大溫差設(shè)計(jì)的能耗分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999，(2):18－19

［2]趙義榮，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié) (第三版)［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，1994，11