干热气候区的高温冷水机组出水温度研究

徐洲，刘鸣，曾婷婷，王玉娇

（1. 新疆大学建筑工程学院；2. 新疆建筑设计研究院）

0 引言

与湿热气候区不同，我国西北地区夏季多属干热气候，全年降雨量小，夏季室外空气较为干燥，含湿量、湿球温度低，夏季通风空调经常可以直接用室外新风除去室内的湿负荷，这一地区冷水机组的主要任务是消除室内外显热负荷。由于不需要除湿或除湿量很小，冷水机组的冷冻水供回水温度则不需要采用7 ℃～12 ℃，改用高温的冷冻水即能满足空调系统的制冷需求，这一措施可提高制冷机组的制冷量、提高能效；此外，冷却塔出水温度与空气湿球温度密切相关，其实际出水温度远远低于冷却塔的名义工况30 ℃～35 ℃，这对冷水机组的能效提高，尤其是降低电耗是又一有利因素；所以，干热气候区采用高温冷水机组可大幅降低系统运行费用，在这类地区设计选择冷水机组时，应基于气候特征和空调制冷的需求统筹考虑相关问题。

干热气候区的室外空气干燥，室内相对湿度小（室内湿度大于室外），即使供水温度在10 ℃～13 ℃的情况下也不会出现结露，这与在潮湿气候区的温湿度独立采用16 ℃～21 ℃的高温冷水机组[3]要求不同；但与温湿度独立控制系统一样，空调盘管处于干工况运行，不存在着易产生吊顶水患和因盘管潮湿纳垢而滋生细菌的缺点。

1 室外空气设计计算参数的正确选用

我国现行的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736）［1］等设计文件中，规定夏季空调室外计算干、湿球温度（图1中状态点W）是历年平均不保证50 h的干、湿球温度，二者各自独立、互不相关。但是，实际生活中的室外计算的干、湿球温度总是同时出现，相互关联的，在焓湿图上必须同时已知二个空气参数，才可确定空气的全部状态参数。由于定义方式不同，往往导致室外设计计算干湿球温度值差异很大，这一问题在干热气候区表现得尤为突出，结果对空调制冷设备系统设计结果影响很大。

美国供热制冷空调工程师协会（ASHRAE）［2］的现行手册标准规定夏季空调室外计算干球温度和湿球温度是同时出现且相互关联，给出不同不保证率分别为0.4 %、1 %及2 %，换算为对应年不保证小时数分别为35 h、87 h及175 h，这与我国暖通规范采用的累年不保证时间为50 h不同，为解决ASHRAE规定不保证小时数与我国暖通规范的不一致问题，笔者利用EXCEL表按照ASHRAE对不同室外计算参数的定义方法，分别找出典型城市累年不保证50小时的干球温度与湿球温度同时耦合的对应值［4］。当计算常规冷水机组和对应的空调机组时，规定采用以干球温度为主同时耦合对应的湿球温度（图1-1中状态点Wg）；当设计计算冷却塔、蒸发冷却设备时，应采用以湿球温度为主同时耦合对应的干球温度（图1-1中状态点Ws）。冷却塔、蒸发冷却是空气与水的热湿交换，水吸收空气中的热量由液体变为水蒸气（0 ℃时，水变成水蒸气所需的汽化潜热是2500 kJ/kg），空气在与水的不断接触中，空气温度不断降低，湿度同时增加，经过充分的热湿交换后，最终循环水的水温、空气的干球温度不同程度趋近空气的湿球温度，因此，计算冷却塔的出水温度时，应用以空气的湿球温度为主同时耦合对应的干球温度来衡量蒸发冷却性能效果的关键性指标。对由于同一湿球温度出现的日期不同,选用所有相同湿球温度日期中相对湿度最高日期对应的干球温度［5］。论文［6］中，作者曾用以干球温度为主同时耦合对应的湿球温度方式，分析过干热气候区的冷水机组性能与选择，但这与ASHRAE的标准要求不符。

图1-1 乌鲁木齐夏季空调室外计算参数

图1-2 兰州夏季空调室外计算参数

图1-3 银川夏季空调室外计算参数

从表1或图1-1、1-2、1-3可以发现乌鲁木齐、克拉玛依、兰州、酒泉、银川、西宁、呼和浩特七个城市采用夏季室外空气干、湿球温度的定义不同，得出的室外空气状态差异很大，其中采用以干球温度为主同时耦合对应湿球温度（Wg） 的室外空气含湿量、湿球温度最小，以此组数据计算得出同规格冷却塔的出水温度应最低；以湿球温度为主同时耦合对应的干球温度（Ws） 的室外空气含湿量和湿球温度略小于我国定义的室外空气参数（W），以此组数据计算得出同规格冷却塔的出水温度略低于W状态点的出水温度。在典型干热气候区，乌鲁木齐、克拉玛依、兰州、酒泉、银川等城市三种不同定义的空气含湿量和湿球温度之间差异则很大。所以，采用正确的夏季室外空气计算干、湿球温度和含湿量，对干热气候区的空调制冷设计结果将产生不可忽略的影响。

表1 不同标准依据下，各城市夏季室外设计计算的干、湿球温度和含湿量

2 冷却塔出水温度计算

室外空气计算干球温度与湿球温度的不同同时影响冷却塔的出水温度，相比之下，湿球温度的影响更为显著。根据传热传质的关系及冷却过程中热量与湿量守恒求解冷却方程式。常见有辛普森近似积分法、梯形近似积分法、抛物线积分法以及平均焓差法。笔者采用辛普森近似求解法，当计算精度要求不高，△t＜15 ℃时，可用下式简化：

上式中N为冷却数，代表冷却任务的大小，与周围环境空气参数有关；△t为冷却塔进出水温差（℃）i1”-i2代表进水温度的饱和空气焓与排出塔的空气焓的差（kJ/kg）；im”-im代 表进出水平均温度下的饱和空气焓与进出塔的平均空气焓的差（kJ/k g），i2”-i1代表出水温度下的饱和空气焓与进入塔内的空气焓的差（kJ/kg）；利用N”=A”λm求解冷却塔出水温度，N”为冷却塔特性数，取决于冷却塔构造；A”、m为实验常数，取决于淋水装置构造、形式尺寸等；λ为气水比。

取冷却塔冷却水流量为100 t/h，△t=5 ℃，采用塑料斜波50×20×60 °—1000，A”=1.59，m=0.67，轴流风机风量G为56000 m³/h，实际淋水面积为 8 m2。根据辛普森近似求解法及，N=N”得出上述八个不同城市的冷却塔出水温度（℃）。

由表2可知，在以干球温度为主同时耦合对应湿球温度（Wg）的所有城市冷却塔的冷却水出水温度最低，以此数据选择冷却塔的规格会与冷水机组匹配偏小，造成机组的实际制冷量下降；若采用暖通规范的室外计算参数（W），冷却塔的冷却水出水温度最高（高海拔西宁市除外），势必会使得冷却塔与冷水机组匹配偏大，造成浪费；只有在以湿球温度为主同时耦合对应干球温度（Ws） 冷却塔的冷却水出水温度与制冷机组最匹配，可以保证制冷系统安全高效运行。在以前已发的论文中，尽管采用了干、湿球温度相互关联，都是以干球温度为主同时耦合对应湿球温度进行分析计算的，这一结论会误导工程技术人员和工程实际使用的结果。

表2 各市夏季室外设计参数对应的冷却塔出水温度（℃）

3 高温螺杆冷机出水温度分析

干热气候区冷却塔的冷却水出水温度随湿球温度相应降低，冷冻水温度也同时提高，在冷水机组蒸发器、冷凝器配置不变的情形下，如冷水机组冷冻水温度一味提高，势必会减小压缩机的压差，对于螺杆式冷水机组，机组的润滑油回油问题至关重要。须考虑维持一定的压缩比，才能保证机组安全正常运行。国家冷水机组的名义工况是冷冻水进出水温度为7/ 12 ℃，冷却水进出水温度30/35 ℃，如图2；对应的蒸发温度为5 ℃，蒸发压力为0.35 MPa，冷温度为37 ℃，对应的冷凝压力为0.9375 MPa；常规螺杆冷水机组的高低压差近似为0.59 MPa，如图3。若以R134a制冷剂为例，设定冷冻水、冷却水的平均温度与制冷剂的蒸发温度、冷凝温度换热的温差同为4.5 ℃［7］。如图3压焓图所示。对于螺杆冷水机组压缩机润滑油泵的正常运行与否取决于压缩机排气压力与吸气压力的压差。压差达到0.43 MPa, 油泵停止运行［8］， 这是供油靠排气压力与吸气压力的压差保证，取能够使机组润滑油正常供回油的最小压差不小于0.4 MPa，确定的机组蒸发温度和冷冻水温度。在确定了冷却水出水温度的条件下，通过对比计算也就确定了可以使螺杆机组回油正常情况下的最高蒸发温度。不同地区、城市的湿球温度不同，计算得出的冷却塔出水温度不同，螺杆冷水机组相应的冷凝温度也不同，按照最小压差原则即可确定该螺杆冷水机组在城市的冷冻水最高出水温度。

图2 某干热气候区冷水机组与名义工况出水温度

图3 某干热气候区冷水机组与名义工况压焓图

比较表3中的七个城市，冷却塔的冷却水平均温度越低，冷冻水的允许出水温度就越低；这对乌鲁木齐、兰州、酒泉、西宁四城市的冷水机组冷冻水的最高出水温度有较严格限制，工程师设计高温冷水机组时，不应高于此规定值；对于克拉玛依、银川、呼和浩特三城市由于湿球温度相对较大，冷冻水的允许最高出水温度已很高（大于16 ℃），空调工程上一般不会设置如此高的冷冻水供水温度，这一限制温度的参考意义不大。

表3 不同城市冷冻水出水温度

表3中给出的最小压差是一安全数值，受制冷剂、压缩机等因素影响，各企业冷水机组产品的最小压差未必一样，所以，工程上，干热气候区机械制冷的空调冷冻水设计温度和设备规格选用，不仅要满足空调系统的显热、潜热负荷的要求，还要结合各地室外湿球温度与选用产品的提出控制下的最小压差，求出实际的最高冷冻水供水温度，才能保证机组安全可靠运行。

当然，系统冷冻水的水温并非越高越好（银川、呼和浩特、克拉玛依），过高的冷水进水温度会降低机组盘管的冷却能力，造成末端盘管规格偏大；使得单位风量所能提供给室内的制冷量降低，这会增加风机的能耗和噪声，降低系统整体能效；当盘管冷水温度低于工作环境空气露点3.0～6.0 ℃时，盘管表面处于干工况, 又能充分利用盘管的冷却能力［9］。故确定合适的冷冻水进水温度对于冷水机组选择和空调系统有着重要的意义。

4 结语

在干热气候区，工程技术人员设计空调系统应选取适当的室外气象参数，冷却塔出水温度应以室外空气湿球温度为主同时耦合对应干球温度为依据进行计算。冷水机组的设计工况与国家现行冷水机组的名义工况差别巨大，采用高温冷水时机组的实际性能COPn、NPLV有很大提高，并涉及到安全运行问题，另外，工程师无法直接采用国家现行冷水机组的名义工况数据，能效考核依据也不一样。基于这些特殊性，建议制定出国家干热气候区的冷水机组名义工况及能效考核标准。