大温差空调系统研究

大温差空调系统研究

张荣基

张荣基

陕西置地投资发展有限公司陕西西安710077

摘要：大温差空调系统的工作原理；大温差小流量系统对冷水机组、水泵、末端设备、水管管径的选择造价及运行费用的影响。

关键词：大温差系统；能耗；逼近度

为什么大温差空调系统越来越受到欧美设计顾问的青睐？大温差系统是一个减少空调系统投资，降低能耗的先进观念。上世界90年代，西方很多空调设计顾问对大温差的冷水系统进行了深入研究并付诸实施。

1.为什么要大温差

大温差的目的是为了优化空调系统各设备间的能耗配比，在保证舒适度的前提下，减少冷量输配的能耗，或是减少冷却塔和末端空调箱的能耗，同时降低系统投资。大温差可以在：

冷冻水侧；冷却水侧或者双侧均能实现；空气侧也可以实现。

在过去的30年，随着冷水机组的技术的改进或机载控制技术的革新，冷水机组的单位能耗大大下降，目前冷水机组的最高能效比为0.45KW/Ton或COP为7.8。随着冷水机组的效率进步，当效率越接近卡诺循环这一极限，即COP接近8.33时，机组的材料成本会剧增，其原因就在于为了使效率得到微小的提高，不得不在换热器中增加很多的传热面积。因此，即使机组效率可以继续提高，其代价也是十分昂贵的。

根据制冷量计算公式：

Q=mCp△T

比热Cp为常数，为保持冷量Q不变，有两种办法：

⑴可以提高水的流量m，同时减少温差△T；

⑵降低水的流量，同时增大温差。

这就意味着既可以增加水泵耗功并减少机组耗功；也可以减少水泵耗功增加机组耗功。

【案例】：选用一个1800冷吨（6329kw）的酒店空调系统来分析，该酒店位于上海，全年空调运行时间为5月至11月。

由此可见，采用大温差系统以后，冷却塔的年能耗降低33%；水泵的年能耗降低59%；冷水机组的年能耗增加7%；以上三项汇总，年冷水机房总能耗降低10%，如下图。

从上述模拟结果看，大温差的系统意在使冷水机组承受相对严苛的工况,它的能耗增加；来使系统的其他部分诸如水泵、冷却塔的能耗得以降低，从而达到系统运行节能的目的。

2.低温低流，各设备机组的工况

2.1冷水机组的蒸发器侧和冷凝器侧的大温差

冷水机组的蒸发器侧/冷凝器侧大温差的实现是非常关键的。冷水机组要求能提供低于常规的冷水出水温度，如6℃，5℃，4℃等。毫无疑问，现在的冷水机组不但能够生产低温水，甚至可以制冰（乙二醇介质）。

2.2组合式空调机组、新风机组、风机盘管的表冷器大温差换热

根据实验证明，冷水侧的大温差应该是朝着低温的方向发展，促使表冷器更冷。低冷水温度可以增加表冷器换热时，冷水与空气的对数温差，虽然大温差形成的低流量会降低表冷器的换热系数，但总体上，末端表冷器的换热量会增加。这是因为对数温差引起的换热增加量大于流量减少导致换热减少量。换而言之，合理配置低温低流量，换热充分的末端表冷器在大温差工况下不但不会增加投资，而且可以降低投资。

在低温低流量下冷量的增加也得益于表冷器盘管内扰流形成。通常，流量减少会使流体在管内的扰动减少，管内流体流动会从扰流向层流变化。在管内扰流器的设置会使水流增加扰动，增加换热系数。同等情况下4排管变冷器，大温差工况的表冷器换热量比常规温差工况下的换热量提高了19.84%，换而言之，末端在需求的冷量相同的情况下，大温差条件下可以允许选用较小的型号。

对于风机盘管在大温差下面的换热表现，同样证明：在大温差工况下，冷量会有所增加，这就为业主或设计师在选用大温差系统时，免除了增加末端风机盘管投资的顾虑。

3.高温底流，使冷却塔更热

3.1逼近度

所谓的逼近度是指：冷却塔冷却完的水温与当地的湿球温度的差值。例如，上海夏季的室外空调计算湿球温度为28.2℃，离开冷却塔的冷水温度为32℃，那么，逼近度为32-28.2=3.8℃。

可以这么说，环境的湿球温度是“驱动力”，那么离开冷却塔的冷水温度就是“结果”。逼近度体现了冷却塔换热过程中的“驱动力”与产生的“结果”之间的关系。

在一定的区域，如果要设置较小的逼近度可以提供较低的冷却塔冷水温度，前提就是要选用较大规格的冷却塔和冷却塔风扇，如此，冷却塔的初投资和运行费用就会增加，占地面积也会增加。

3.2冷却塔的进出水温差

增加冷却塔的进出水温差可以降低冷却塔的初投资和运行费用，但会使冷水机组的运行效率变差，能耗会上升。那么温差应该设定在多少才比较经济呢？但从系统整体节能角度出发，增加冷却塔出水温度、尽量扩大温差，就可以降低初投资和冷却水系统的综合能耗。

3.3使冷却塔更热

较大的温差使得冷却水系统的综合效率提高。从常规的5℃（32/37℃）提高温差到7℃（32/39℃）或8℃（32/40℃），将提高冷却塔的换热效率，降低冷却塔和冷却水泵以及相应管路系统的初投资。

对此，我们发现，如果我们还是选用先前在常规温差下所选的冷却塔型号15250，则所需的冷却塔数量从四台减少为三台，3.41%的富余量。结论是：冷却水侧的大温差使所需的冷却塔台数少了，因此使得占地面积更小，总价更低，耗电更低。

4.水泵和管路系统的运行费用与造价

4.1水泵

大温差低流量可以让设计师选用较小的水泵，从而使得投资与运行费用减少。无论在冷水侧或是冷却水侧，较小的水泵在部分负荷时的节能会比常规温差更有节能优势。如下图：

4.2管路系统

一个工程中一般有多种管径的管道，下表列出了不同冷量下5℃温差与8℃温差的冷水管的管径（在经济流速下）和保温厚度，来评估初投资的节省。

由上述对比计算可以确定：在不同的冷量下，大温差系统所节约的管材（含管子主材+辅材+保温）费用在22%～46%之间，平均约为30%。对于不同的项目，不同管径的管道所占的比例各有不同，节省的费用约在25%～35%之间。

4.3空气侧大温差，低温送风的应用

理论上，若采用低温送风系统，送风量会比标准温差的末端设备偏小一点，这样一来就会减少水管和风管的材料成本，同时降低风机和水泵的功率，供电系统配线的成本也得以减少。一个成功的空调系统设计在于确保舒适的前提下，也必须充分重视成本的节约。

紧凑型的空气处理机组：例如采用送风温度为12.7℃，送风量58584m3/h，如若改成7.2℃的送风温度，送风量仅需35506m3/h。当盘管迎面风速为2.54m/s时，盘管面积可由超过5.58m2减少至3.72m2。

紧凑的VAV末端：占用空间小，易于安装，运行更安静；

紧凑的风管材料：节省风管材料，便于安装，空间利用率高。同时可以选用圆形风管，安装更简化；

减少建筑物层高：得益于紧凑的风管系统，多层建筑的玻璃和钢材等材料成本均可以减少。

降低风机功耗：减少电气安装部分成本，降低了设备运行费用，也减轻了风机产生的噪音。

在设计低温送风系统时，设计师通常采用以下方式来保证使用时的舒适性：

⑴.采用诱导型散流器可以诱导室内空气向送风散流器流动。它同时通过改善室内空气流动和送风的行程进一步提升了低温送风的效果。例如：一个条缝型散流器每送风1CHM就会带动1CHM的室内空气行程二次循环。采用诱导型散流器时，低温送风动量（质量流量x流速）的提高会增加送风行程或产生的科恩达效应，改良的性能对于散流器提供了更广的选择范围。

其原理就是：诱导型散流器通过“文丘利喷嘴引射流”和“引风扇的抽吸”作用，将室内的热空气（二次风）引入风口内，与大温差处理后的一次风混合后送入室内，使得送风温度比一次风温度提高9℃左右，相对而言，略高于常规空调送风系统的送风温度，因此就能有效提高空调房间热舒适感和解决风口结露的问题。

⑵.采用VAV-BOX（动力型）改善室内空气流动和送风的行程进一步提升了低温送风的效果。

参考文献：

[1]李向东.大温差蓄能系统在温湿度独立控制空调系统中的应用[J].供热制冷,2017-10-15.

[2]周淑燕.空调系统室内新风设置若干型式探讨[J].建筑科技,2017(05).

[3]王彩风,董福松.大型医院空调系统建设后评价[J].中国医院建筑与装备,2017(01).