大温差空调水系统节能效果

汪洋

（中铁建设集团有限公司 基础设施事业部，北京 100040）

1 工程简介

某站房总建筑面积18.3 万m2，地板表面太阳辐射强、围护结构壁面温度高、单位面积热指标高。室内工作人员最高聚集人数5 000人，潜热较大。

为降低输配系统能源消耗，系统采用大温差空调水设计，通过降低系统水流量，间接控制冷冻水泵功率，从而达到节能目的（20%节能）。

2 供回水温度确定与负荷积累分布

2.1 供回水温差

采用一次回风方式，测量各项参数确定空调水系统供回水温度。常规冷冻水供回水温度为7～12 ℃，本系统范围有所扩大，即6～13 ℃。以控制调节、末端设备能力、温差控制等为指标，根据主流制冷设备性能，确定本系统最大温差值为8 ℃。供回水温差见图1。

图1 供回水温差

当温差为7 ℃时，节能效果较8 ℃降低了4%，但流量增加了10%，有助于水系统可调性的增加。综合节能与流量2项指标，本系统选取7 ℃为供回水温差。

2.2 负荷积累分布

系统运行期间，负荷主要分布在50%～80%，该部分负荷率占据总运行时间约为70%。负荷累计分布见图2。

图2 负荷累计分布

随着时间的推移，负荷累计量越大，负荷百分比随之增加。当负荷百分比达到70%时，增加频率最大。

3 大温差空调水系统设计

决定空调运行水温的因素包括空调送风状态、冷却水与冷冻水出水温度、末端表冷器特性、负荷特点、水管道特性5项，因此在设计大温差空调水系统时，着重探究这些影响因素。

3.1 送风状态

通过空气处理，实现室内热湿负荷满足需求。确定产湿量、得热量、空气状态3项指标数值后可以绘制出热湿比线，则曲线最低送风温度值（S1）为确定参数。当冷冻水温度降低时，送风温度（S2）将随之降低，下达温度控制命令，室内湿度及空气状态焓值也出现下降趋势，使得产生的焓差增大［1］。

为降低空调机组造价，降低能量消耗，可以通过采取降低供水温度方式减少送风量，实现预期操控目标。在实际应用中，回水温度的调节虽然可以控制送风状态，但是冷冻水温度将被限制到某一特定范围［2］。

所以，不可任意增加水温差达到节能目的，需结合其他指标设置情况进行综合分析后确定。

3.2 冷却水与冷冻水出水温度

水温变化对冷水机组工作效率影响较大，冷水机组效率随着冷冻水出水温度的降低而下降［3］。当冷冻水温度在5～10 ℃时，位于出水口的水温每降低1 ℃，机组效率将随之下降3%～4%。如果水温下降超出特定范围5～10 ℃，那么机组效率下降幅度将超出4%。通常情况下，冷水机组正常运行水温在4 ℃以上。因此在设计冷水机组时，设置冷冻水供水温度下限值范围4～5 ℃。

相比于冷冻水温，冷却水出水口水温的变化对机组运行效率造成的影响更大［4］。当温度在30～39 ℃时，冷却机组效率随着温度的提升而下降，下降幅度在2～3倍。当水温超过40 ℃时，离心机工作效率下降速度较快。

考虑到冷却塔进水温度的提升，可以在一定程度上增加进出风焓差，有利于冷却塔风机功率的控制。因此，在设计大温差空调水系统时，将冷却塔进水温度作为操控指标之一。

3.3 末端表冷器特性

末端表冷器水管内流速下降时，换热量将随之减少。因此，可以通过调节流量控制换热量。目前，采用比较多的控制方式是在换热器铜管水侧添加扰流器，当温差在5～8 ℃时，可以增强换热，超过8 ℃以后，控制作用逐渐减小。为了满足大温差空调水功耗控制需求，适当增加换热面积，维持制冷量，以供空调系统正常运行。

3.4 负荷特点

大温差系统作业期间，可能会出现功率较大情况，同时部分负荷功率较小。为有效控制空调水系统能耗，通过调节负荷运输时间，达到节能目的。在系统参数设计中，通过调查同类项目空调水系统运行特点，取负荷数据。为降低能耗，结合负荷与温度、管径等参数之间的关系，设置多种工况计算负荷数值。并将其作为系统设计指标，通过多项指标综合功率计算，确定最佳工况。

3.5 水管道特性

水管道对空调水系统运行具有一定阻碍作用，其产生阻力影响系统功耗。将5 ℃水温差作为参照，计算水泵功率比值：

式中：N 为温差为Δt 时对应的水泵功率；N5为温差为5 ℃时水泵作业功率。

由式（1）可知，水泵功率比随着温差的增加而减小，所以，在大温差控制情况下，有助于水泵功率的调节，达到节能目的。

4 系统应用节能效果分析［5-7］

4.1 方案对比

基于大温差空调水系统设计方案研究中各参数特性，选取为冷却水供回水温度、冷冻水供回水温度、冷冻水流量、冷水机组效率、蒸发器降压、冷却水主管管径、冷冻水水泵扬程、单台冷水机组功率、冷却水水泵功率、冷冻水水泵功率、冷却塔功率、冷水机组房额定工况、冷水机组房额定功率作为项目指标，设置不同数值，形成5组系统应用节能方案（见表1），从而探究最佳方案。其中，水温配比设计是根据供回水温度范围界定。

表1 节能方案设定

4.2 节能效果评价

按照表1 中设定的5 组方案，开展节能对比试验，通过观察冷机电耗、冷却塔电耗、水泵电耗3 项指标，判定最佳节能方案（见表2）。

表2 不同方案对比统计

通过对比表2中节能效果可知，5组方案中，整体节能效果最佳的是方案5（节能20.31%），且水泵能耗占比也是最低值（仅有11.48%），达到预期节能目标。方案4与方案5相比，冷机电耗和冷却塔电耗相同，只是水泵电耗相对较高，导致能耗偏高，节能效果偏低。因此，在设计大温差空调水系统时，应加大对冷冻水水泵扬程、冷却水水泵扬程的重视，以17 m和14 m为最佳设定值。

5 结束语

从节能角度探究了大温差空调水系统设计方案，通过分析系统特性，确定系统水温影响核心因素，拟定大温差空调水系统调节方案。该方案选取多个指标，设定不同参数值，测试系统应用节能效果。测试结果表明，冷机电耗、冷却塔电耗差距不大，水泵电耗相差最多，对空调机组运行能耗影响较大。为进一步降低机组能耗，可以通过降低水泵电耗实现。