某商场空调冷冻水大温差系统分析

徐健

上海弘城国际建筑设计有限公司

某商场空调冷冻水大温差系统分析

徐健

上海弘城国际建筑设计有限公司

本文以某商场空调工程为实例，通过冷冻水系统在标准温差（7℃～12℃）与大温差（6℃～13℃）两种工况下，冷水机组、冷冻水泵、空调末端的能耗和初投资的具体分析，提出了使冷冻水大温差系统（6℃～13℃）节能的措施。

冷冻水系统 大温差 能耗 初投资 节能

在中央空调系统中，制冷系统的水泵装机电量一般占空调系统总用电量的15%～20%，而实际运行中，水泵耗电量更是占空调系统总用电量的20%～30%，随着冷水机组性能的不断提高，水泵耗电量占比将更大。如何提高空调冷冻水的输送效率，已成为空调节能的关键之一。国内空调常规设计冷冻水供水温度7℃，回水温度为12℃，供回水温差5℃，而大温差空调系统冷冻水的供回水温差一般为6℃～10℃。国内已有不少工程采用大温差空调技术，例如：上海万国金融大厦冷冻水供回水温差达7.7℃（6.7℃～14.4℃）；上海浦东国际金融大厦冷冻水的供回水温差为10℃（5.6℃～15.6℃）[1～2]。由于空调系统冷冻水的供回水温差加大，相同制冷量下的空调冷冻水循环量将减小，空调冷冻水管管径、冷冻水泵的型号都将随之减小，冷冻水泵的能耗随之降低。但是冷冻水温差的大小不仅影响冷冻水系统，同时也影响冷水机组及空调末端，本文将以实际工程冷冻水大温差空调系统进行分析，探讨冷冻水大温差的利弊，为空调设计提供一定的依据。

1 工程概况

本工程建筑面积约217000m2，是集购物、办公、饮食、娱乐于一体的综合性大型商业建筑，该工程中央空调总设计冷负荷为30000kW，选用4台1900RT离心式冷水机组4台，450RT离心式冷水机组2台，冷冻水系统采用二次泵变流量系统，由于该工程体量大，空调系统的初投资和年运行费用都是极为巨大的，合理确定冷冻水系统的温差将对减少空调系统初投资和降低年运行费用都起着重要的作用。本工程空调冷冻水供回水温度为6/13℃，冷却水供回水温度32/37℃，常规空调冷冻水供回水温度7/12℃，冷却水供回水温度32/37℃，本文仅对这两种工况进行分析讨论。

2 能耗分析

2.1 冷水机组的能耗

由制冷原理可知，蒸发温度的降低可导致冷水机组制冷量的下降，以及电机能耗的增加，这个问题是比较让人关注的，本工程冷冻水供回水温度6/13℃，下面从理论上分析在此工况下冷水机组能耗变化，为简化分析过程，作两个假设：①冷冻水供回水温度7/12℃和6/13℃两种工况使用同一台冷水机组提供相同的制冷量，蒸发器的传热面积为定值；②制冷机在冷水机组中的热力过程均为理想过程，不存在热损耗等。则制冷量：

式中：K为蒸发器传热系数；F为蒸发器的传热面积，m2；△tm为制冷剂与冷冻水对数平均温差，℃。

式中：t1为供水温度，℃；t2为回水温度，℃；te为蒸发温度，℃。

在两种工况下制冷量和蒸发器传热面积相等，则有：Q0=Q0'，KF△tm=K'F'△tm'，F=F'。所以：

式中：R为传热热阻，m2K/W。

蒸发器的传热热阻R包括管内沸腾放热、铜管导热、污垢热阻、管外水流热阻等。除水侧热阻外，其它热阻基本保持不变，而水侧对流放热系统与水流速度成0.8次方关系（αw=∝v0.8）[3]。由于冷冻水温差由5℃增加到7℃，所以水流量减为原来的71.5%，相同流通面积下，水流速也减小为原来的71.5%，则水侧放热系数αw'=0.7150.8αw=0.765αw，水侧放热热阻 Rw'=1/αw'= 1/0.765αw=1.3Rw。

水侧热阻一般占蒸发器总热阻的35%～40%，取37.5%。由于水侧热阻变化△R=0.375×(1.3-1)R= 0.1125R，则△tm'=(1+0.1125)×4=4.45℃，计算得到△tm'等于4.55℃，则可得到蒸发温度4.1℃。

由于冷冻水温度由7～12℃变为6/13℃，蒸发温度下降了0.9℃，蒸发温度下降，带来冷水机组能耗增加。对于冷水机组的制冷系数，有：

假如冷水机组采用R134a冷媒，冷凝温度为40℃，由lgP-H图查得蒸发温度分别为5℃和4.1℃时各过程点状态参数，1、2、4点焓值为401.49 kJ/kg， 423.3 kJ/kg，256.41 kJ/kg，399.97 kJ/kg，424.116 kJ/kg，256.41 kJ/kg，两种工况下的单位制冷量，单位理论功，单位制冷量耗电量见表1。

表1 不同温差下制冷机制冷量和耗功理论

由表1可以看出，采用R134a冷媒冷水机组，冷冻水为6/13℃与7/12℃比较，制冷量衰减很小，约为1.05%，这是由于蒸发温度变化较小，制冷系数下降约5%，即制取相同冷量耗电量增加约5%。

本工程选用4台1900RT和2台450RT的离心式冷水机组，表2是冷冻水为7/12℃和6/13℃两种工况下某品牌冷水机组性能参数的比较。

表2 不同温差下制冷机性能参数

由表2可以看出，冷水机组冷冻水在6/13℃与7/12℃比较，有以下几点变化：

1）在冷水机组出力相同的情况下，电机功率增加6.5%左右，比理论计算稍微大点，这是因为实际过程中有能量损耗；

2）蒸发器压降明显下降，两种机型压降下降减少了约55%，冷凝器压降下降幅度不一，分别减少了约15%、28%。

2.2 空调末端的能耗

冷冻水温差增大，空调机组冷水流量减少会使表冷器换热系数下降，导致冷量下降。表3为某品牌6排管空调机组在冷冻水为7/12℃和6/13℃两种工况下性能参数。

表3 不同温差下空调器冷量和水压降

从表3可以看出，6～13℃大温差下空调器制冷量下降约3.0%～9.35%，水压降约增加1.1～1.4倍。在大温差条件下，要保持表冷器冷量不变，有几个办法[6]：①增加表冷器的排数；②增加表冷器水回路；③增加表冷器的传热面积；④降低冷水初温。一般常采用方法①、③，增加表冷器排数会使表冷器阻力增大，同时增加表冷器的空气阻力。而采用增加表冷器迎风面积的方法，对于处理风量相同的空调机组，表冷器迎风面积增加后，迎风面风速明显降低，空气流动阻力减小，风机能耗可降低。同时这两种方法表冷器阻力增加相差不大，这两种方法均会使空调机组体积增大，对初投资增加幅度和建筑面积的影响相差无几，所以采用增大表冷器迎风面积的方法更合理。对于一个工程的水系统来说，空调器阻力所占比例不大，从表3可以看出，冷冻水泵扬程最多增加2.6mH2O，由此对本工程冷冻水泵的轴功率共增加46kW，本工程空调机组约为180台，空调总风量约400万m3，考虑风机总效率0.52，要节省46kW的平均需要表冷器空气阻力下降21.5Pa，文献[4]指出，增加表冷器迎风面积可使空气阻力减少35%。对于一个空气阻力约为200Pa的表冷器要下降21.5Pa阻力是相对容易的，所以对于空调机组相同条件下多的工程，采用增加表冷器迎风面积可使风机耗电的减少抵消由水压降增加引起耗电的增加。

2.3 冷冻水泵的能耗

采用冷冻水大温差最主要的目的是减小冷冻水泵的输送功率，空调系统冷冻水采用大温差后，冷冻水量减少，水泵的功率相应下降，在空调设计时一般采用假定流速法进行水管路系统地设计，假定采用常规空调系统和大温差空调系统的水流速相同，由于采用空调冷冻水大温差系统时，水量减少，水管尺寸相应减小，可以减少空调水系统的一次性投资，这是采用大温差系统的另一个目的，下面分析在水管尺寸相应减小的前提下采用大温差冷冻水系统后水泵的节能效果。

水管压力损失及水泵的轴功率分别按式（5）、式（6）计算：

式中：△P为管段阻力损失，Pa；△Pm为摩擦阻力损失，Pa；△Pl为局部阻力损失，Pa；

λ为摩擦系数；d为管道直径，m；l为管道长度，m；v为流速，m/s；ρ为水的密度，kg/m3；ξ为局部阻力系数；G为水量m3/h；H为扬程，mH2O；η为水泵效率。

在系统一定的情况下，为简单分析假定流速相同，水泵的效率相同，则根据式（5）、式（6）可得：

由此可知，水泵轴功率与流量、摩擦系数、管径、局部阻力系数都有关系，并不能简单得出与哪个参数的关系，下面结合本工程具体分析，表4为某品牌水泵在冷冻水为7/12℃和6/13℃两种工况下性能参数。

表4 不同温差下水泵性能参数

从表4可以看出，6/13℃与7/12℃比较，冷冻水泵有以下几点变化：

1）一次泵轴功率之比在0.45左右，大大低于式流量之比0.714，这是因为两种工况下机房中的阻力基本相当，而大温差下冷水机组的水压降大幅降低，使水泵耗电约为原来的45%；

2）二次泵一次泵轴功率之比在0.77左右，稍高于流量之比0.714，这是因为两种工况下整个管路系统阻力损失基本相当，只是大温差下空调机组的水压降增加，使水泵耗电约为原来的77%；

3）整个冷冻水泵泵组耗电量约为原来的0.69，低于流量之比0.714，水泵耗电量节省约31%，这是因为相比于冷水机组水压降降低，空调机组水压降增加，整个水系统的阻力是降低的。

2.4 系统能耗比较

以本工程为例，比较冷冻水为6/13℃与7/12℃两种工况下的能耗，考虑机组运行150天，每天运行12小时，电费为1.2元/kWh，按60%满负荷运行估算。

表5 不同温差下空调年运行费用

从表5可以看出，6/13℃与7/12℃比较，年运行费用减少了38.3万元，约节省了3%的空调运行费用，按照大型空调系统使用20年考虑，则其周期运行费用节省766万元。

3 不同冷冻水温差系统初投资比较

冷冻水大温差可以减小冷冻水管道管径，冷冻水泵大小以节省管道系统投资费用，另一方面，末端空调机组表冷器需增大迎风面积，导致投资增加。由于该商业广场体量巨大，冷冻水管道系统投资较大，约占空调系统总投资的20%。末端空调机组数量众多，约占空调投资20%。选用大温差可节约冷冻水系统投资30%左右，同时末端系统投资上升20%左右，经过简单计算可以发现使用大温差冷冻水系统总投资将节约2%（假定冷水机组价格不变）。

4 结论

通过以上对采用6/13℃和7/12℃不同冷冻水温差空调系统的理论及工程实例分析，对于大温差空调系统可以得出以下结论：

1）采用R134a为制冷剂的冷水机组，理论分析在大温差下能耗增加约5%，冷水机组选型时其能耗应尽量接近5%；

2）增大表冷器迎风面积可以降低空调机组风机能耗，并可以此抵消由于大温差引起的水泵能耗的增加；

3）减小管径保持流速不变的情况下，选择水压降降幅大的冷水机组、水压降增幅小的空调机组可使水泵节能效果更为显著。

采用冷冻水大温差系统需经过全面的技术经济分析，采取合理有效的措施，才能达到降低空调系统运行费用和初投资的目的。

[1]殷平.空调大温差研究(1):经济分析方法[J].暖通空调,2000, 30(4):62-66

[2]吴小卫,胡文斌.大温差空调水系统的技术经济分析[J].制冷, 2005(增刊):99-101

[3]严启森.空调用制冷技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1983

[4]殷平.空调大温差研究(4):空调冷水大温差系统经济分析[J].暖通空调,2001,31(1):68-72

Ana lys is of La rge Chille d Wa te r Te m pe ra ture Diffe re nc e of Air Conditioning Sys te m of a n Em porium

XU Jian
Shanghai Grandcity International Architecture Design Co.,Ltd.

This article cites an air conditioning project of an emporium,energy consumption and initial investment of chiller,chilled water pump and air handling unit were analyzed under two chilled water difference scheme,i.e.,standard temperature difference(7℃～12℃)and large temperature difference(6℃～13℃).The energy saving measures of large temperature difference in chilled water system were proposed.

chilled water system,large temperature difference,energy consumption,initial investment,energy saving

1003-0344（2015）03-063-4

2014-1-29

徐健（1981～），男，硕士，工程师；上海市虹口区东大名路1082号附楼2楼（200082）；021-31310752；E-mail:xjian7161@163.com