空调系统的风冷与水冷制冷方案的比较

空调系统的风冷与水冷制冷方案的比较*

陆建花

(南京林业大学机械电子工程学院南京210037)

摘要：随着我国国民经济的迅猛发展，人们对生活环境的舒适性要求越来越高，推动了国内空调事业的蓬勃发展。我国对风冷和水冷制冷方案也进行了更深入的研究，我们通过对空调系统的风冷与水冷制冷方案的制冷性能、能效比、经济性以及环保等方面进行比较，了解风冷式冷水机组和水冷式冷水机组在不同方面的优缺点，从而更为全面客观地评价这两种制冷方案的使用性能。同时，通过数据分析以及投入预算对比，为各单位选取适宜的空调制冷方案提供建议，使得空调制冷方案的选取有一定的直观依据。

关键字：风冷式水冷式制冷方案比较

Comparison between air cooled and water cooled air conditioning system’s

refrigeration schemes

LU JianHua

(Mechanical and electronic engineering institute, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)

Abstract：By comparing the difference between the refrigeration performance, energy efficiency,economy and environmental protection of the air cooled and water cooled air conditioning system’s refrigeration schemes, we can easily understand the advantages and disadvantages of the air-cooled chiller and water cooled chiller in the different aspects. So we can evaluate the performance of these two kinds of refrigeration system comprehensively and objectively. At the same time, we use data analysis to provide suggestions for people who want to select the appropriate refrigerating solution matching their actual living conditions and economic conditions. This article will be intuitive basis for selecting appropriate refrigeration scheme.

Key words:Air cooled Water cooled Refrigeration scheme

0 引言

目前，城市中大型公共建设逐渐增多，集中空调的应用也越发普及，然而作为集中空调系统运行最核心的冷源生产部分——冷水机组的选择，是决定空调制冷效果和经济性能的最为重要的因素。按制冷机组冷凝器的冷却方式划分，一般可分为水冷式和风冷式两大类。水冷式冷水机组是用水冷却高压气态制冷剂，使之冷凝。采用水冷式冷凝器可以得到比较低的冷凝温度，这对于制冷系统的制冷能力和运行经济性均较为有利。因而，目前水冷式冷水机组应用较为广泛。而风冷式冷水机组是利用空气使气态制冷凝器，这种制冷方式无需冷却塔、冷却水循环管路，因此系统简单，特别适用于水源缺乏，或是用水有限制的地方。因此，近几年来，风冷式机组的选用在我国内陆地区有增加的趋势。本文通过对空调系统的风冷与水冷制冷方案的多个方面进行较为全面系统的比较，从而分析两种制冷方案的利弊，得出因地制宜的空调制冷方案，以此来为各位进行空调制冷方案的选择提供参考。

1 制冷性能的比较

风冷式冷水机组的冷凝温度和冷凝压力取决于室外干球温度；水冷式冷水机组的冷凝温度和冷凝压力取决于冷却塔的出水温度。据暖通设计规范[1]，冷水机组冷凝温度一般取比冷却水进、出口平均水温高出5℃～7℃。因为我国大部分地区设计时冷却水进、出口水温取32℃～37℃[2]，所以水冷式冷凝器冷凝温度可按40℃考虑。而风冷式冷凝器温度应比夏季空调室外计算干球温度高15℃，由于我国

大部分地区夏季空调室外计算干球温度都在30℃以上，这样其冷凝温度应在45℃以上，即风冷式机组冷凝温度比水冷式高出5℃。根据吴占臣《蒸发温度和冷凝温度变化对制冷机性能的影响》[3]一文中的研究，我们可以发现，当蒸发温度不变，冷凝温度升高时，对于同一台制冷机，其制冷量减小，消耗功率增加，也就是说制冷系数降低，具体见图1[4]。因而其制冷能力不如水冷式机组，加上空气的导热性和热容量比水小得多，风冷机组的能耗指标比水冷机组高。分析图中的性能变化：

(1) 单位制冷量由q0减小到q0’。

(2) 由于吸入温度和压力不变, 吸入蒸气的比容v1不变, 因而q0减小到q0’时, 则q v=q0/v1

也相应减小到q v’= q0’/v1。

(3) 单位压缩功由W 0增大到W0’。

(4) 若忽略制冷机压缩机输气系数λ的变化, 则制冷剂的质量m =λV h /v1不变。(5) 由于m不变, q0减小到q0’，故制冷机的制冷量由Q 0减小到Q 0’, 而理论功率由N 0增大到N 0’。

由此可以得出，风冷式机组的制冷效率比水冷式机组低。

图1冷凝温度变化对制冷机性能的影响

2 机组能效比比较

一般情况下，水冷式空调机组的单机能效比大于风冷式空调机组。根据GB 19576—2004《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》[5]所定义的性能系数范围，在名义制冷量时，接风管的水冷机比风冷机能效比平均增大0.4。但是，通常风冷式空调机组的耗电量已经附加了冷凝风机的耗电量，而水冷式空调机组的耗电量并未包含集中设置的冷却塔和冷却水泵的耗电量，所以仅比较机组的能效比显然不准确。所以下面我将对名义工况冷源综合制冷性能系数和综合能效比两方面分别进行分析。同时值得我们特别注意的是名义工况与实际工况的区别。众所皆知，风冷式机组的冷凝条件是空气干球温度，而水冷式机组的冷凝条件是空气湿球温度。要全面分析比较它们的实际能效比，需要针对当地的气候特征。在干湿球温差较大的地区，水冷式机组的能效比较大一些。根据赵丽的《风冷式与水冷式单元空调机组的对比》[6]的研究，我们还应考虑实际使用时段与干湿球温度全日内变化的关系。因为各地区的气候条件差异较大，所以实际工程中应根据当地的气候条件作实际工况下的冷源综合制冷性能系数比较，从而可以选择更为适宜的制冷方案。

3 经济性比较3.1 初投资

对于相同制冷量的风冷式冷水机组和水冷式冷水机组进行比较，我们依据王妍，崔行义《风冷与水冷制冷机组运行的能效比及投资、运行费用的对比分析》[7]中的初投入估算，考虑到风冷式机组的造价约比水冷式机组高出30%左右，得出以下粗略的造价。

（1）风冷式冷水机组初投入

总造价=室外机组+循环水泵（2备—用）+补水泵（2备—用）+水管道及相应配件（不考虑水系统末端设备）

造价估算值参考表：

表1 风冷式机组总造价

名称

室外机

组

循环

水泵

补水

泵

水

箱

管道及配

件

总造价数量 1 2 2 1 1

53.3

单价/

万元

45 2 0.5 0.3 3

总价45 4 1 0.3 3

（2）水冷式冷水机组出投入

总造价=机组+循环水泵（2备—用）+补水泵（2备—用）+冷却塔（30000）+冷却塔循环水泵（2备—用）+管道及相应配件（不考虑水系统末端设备）造价估算值参考表：

表2 水冷式机组总造价

名称

机组 循环水泵 补水泵 水箱 冷却塔 冷却塔循环水泵 管道及配件 总造价

数量 1 2 2 1 1 2 1 50.3 单价/万元 35 2 0.5 0.3 3 2 3 总价

35

4

1

0.3

3

4

3

从机组的初投资上讲，相同制冷量的风冷机组价格比水冷机组高30%左右。但从整个系统角度来讲，由于水冷机组系统需要配备冷却塔、冷却水循环泵和管路系统，而且冬季需配置加热设备等，所以风冷机组系统与水冷系统的设备投资相差不多。 3.2 电耗及运行费用的比较

这里我们首先应搞清楚两个问题：一个是机组的装机容量不等于耗电量；二是全负荷运行和部分负荷运行时其机组效率和耗电量是有所区别的。

全负荷时，风冷式冷水机组之冷凝温度高于水冷式机组，所以风冷式冷水机组的压缩机需要较大的功率，但是空调负荷在整个夏季的分布是极不平均的，甚至在一天之内各个小时，负荷也会存在很大的差别，而且机组在最大负荷下运行的时间是极其有限的。按一般统计，空调负荷在90%以上时间仅占到全部时间的7%～8%，而60%以下负荷则要占到50%～60%，也就是说冷水机组在整个夏季几乎都不是处在全负荷运行中。

根据西安凯莱节能工程设备有限公司总结归纳出的表3[9]中可以看出，在全负荷时，风冷式冷水机组耗电量的确比水冷式冷水机组大，大约大15%左右，但在2/3负荷时两者基本持平，且风冷机组略低，而在1/3负荷时，风冷机组的耗电量远远低于水冷机组，大约低30%左右。总的来看，风冷式冷水机组的全年耗电量并不会比水冷式机组高多少，加上水冷机组在设备保养方面的费用(冷却塔系统维护保养、水处理、冷凝器清洗等)比风冷机组高，所以风冷机组总运行费用可能还略低于水冷机组。但是，无论风冷还是水冷机组，电的价格是影响其总运行费用的最大因素。在其他条件不变的情况下，比较两者，由于风冷式机组耗电量较大，故而电的价格越高越有利于水冷式系统，反之，则越有利于风冷式系统。由于国家控制，电的价格一直相对稳定。水的费用影响相对较小，但是由于水的单价可变性大，所以研究水费对于机组总运行费用的影响还是有必要的，水费越高，则对风冷式机组越有利。冷水机组在空调季节运行时，因水冷机组其冷却水基本为循环水，因此主要费用差距还是发生在耗电量上。由此可见，在制冷量相同的情况下，风冷式

机组耗电较多。另外，由于风冷机组电机总功率增大，配电室变压器容量增大，各种控制柜、接触器、保护开关型号增大，城市用电配套费、增容费也将随之增加。这样计算，风冷式机组的初投资和运行费用还要增加。所以单从耗电量来比较风冷式机组与水冷式机组的经济性还是存在一定的局限性。

表3 水冷离心式和风冷离心式冷水机组耗电量比较

负 荷

制冷量/kW

设 备 耗电量/kW 水 冷 风 冷 式 全负荷

1160

冷水机组 冷却水泵

冷却塔 冷凝风机 250 38 11 -- 305 -- -- 45 总计 299 350 2/3负

荷

770

冷水机组

冷却水泵 冷却塔 冷凝风机 160 38 11 -- 174 -- -- 30 总计 209 204 1/3负

荷

390

冷水机组

冷却水泵 冷却塔 冷凝风机 105 38 11 -- 94 -- -- 15 总计

154

109

3.3 对机房的要求

只要满足安装、操作、通风、隔声、隔振等要求，水冷机组可以放置在建筑物顶层、中间设备层、地下室等处。水冷式方案中的冷却塔, 冷却水循环泵等可设置于屋顶露天, 制冷机系统一般要求设置于设备层的机房内。而风冷机组则不能布置在地下室，因为地下室很难满足其通风换热的要求，所以风冷机组应尽量利用屋顶、中间设备层或者室外楼层平台，这样才能保证风冷的效果。但是根据杨广禹，谭健在《水冷与风冷制冷机组的应用分析》[8]中的假设：若水冷机组每台约占面积80m 2，露天放置对设备维护管理、噪声防治都是极为不利，是不可取的。以制冷量为770kW 的机组其占地面积约7 m 2, 计入冷冻水泵、管路系统等共占地面积约20m 2

。机房要求有安装与检修空间, 因此需要设置面积约30 m 2 的空调机房即可。机组及冷冻水泵基础要有隔声、隔震处理, 该机房可设置于地下室或屋顶任意位置。由于风冷式机组的单机制冷量相对较小，设计时往往选择多台机组，另外，风冷机组要求机房必须具有较大的通风散热空间，所以在中间设备层设置风冷机组机房是应慎重考虑。风冷式方案中无冷却塔、无冷却水循环泵，仅包括制冷机组与冷

冻水泵及管道系统。以上设备完全可以设置在建筑

物屋顶，设备基础仅采取隔声隔震措施即可，不需专门的机房，不占建筑面积，只需冬季放净存水，完全露天放置，这也是风冷式水冷机组空调方案最大的优点。但由于该机组选用的风冷式冷水机组台数较多，自重及运行重量较大，放置在屋顶，必然会增加建筑物的压力。此外，机组因露天放置，终日承受日晒雨淋，其使用寿命较之机房放置的水冷式机组短得多，长此以往，即便机组仍能运行，机组运行数个空调季节后质量难以保证。这种机房的要求、使用寿命的长短以及质量的高低都是我们评估机组经济性能的考虑因素。

4 机组管理和日常维护

从机组的运行方面来比较，风冷式机组的自动化程度普遍高于水冷式机组，不需要设置专门的运行人员，而且风冷式机组大多采用多机头设计，能量调节十分方便，尤其在非满负荷运行的情况下，它的节能效果十分显著。而水冷式机组则不具备上述的优点，其多为机械式控制，可靠性差，控制手段落后，故障率较高，且由于配套设备复杂，相应的管理及维护工作量大，使用单位必需提供一个空调运行班，对机组进行日常操作及养护。此外，水冷式机组的耗水量十分惊人，对于内陆水资源比较紧张的地区不适合大力推广水冷式机组。

从环保角度来分析，风冷式机组与空气换热不会对周围环境造成污染，而水冷式机组的冷却塔内的高温高湿环境则极易滋生对人体有害的病菌，从而污染周围的大气，造成用户身体的伤害。5 结论

本文通过对风冷式机组和水冷式机组的制冷方案的多方面比较可以发现，风冷机组方案有其优越之处，它对机房要求较小，并且它的自动化程度高，但是其在制冷性能、能效比、耗电量以及使用寿命方面存在着明显的缺陷。综上分析，我认为：在设计空调冷源方案时还是应该优先选用水冷式机组。但是如果实际条件限制，如该工程实在没有放置冷却塔的空间，或者周边环境不允许安放冷却塔，又或者是水源比较紧张的北方地区，那么，我们也需要因地制宜去选择其他优化的方案。但是，着眼于目前的科学技术的发展，自动化已经逐渐替代了手动机械化的老式工作方式，成为新时代的主流，所以风冷式制冷机组也越来越受到青睐。

对于空调系统的风冷与水冷制冷方案全面比较分析，以及多方位的考虑是我们能否选取最适宜的制冷方案的前提条件。众所周知，在整个空调季节中，室外干球温度变化可以致使冷水机组冷凝温度和冷凝压力的降低,尤其可以更为明显地造成风冷式冷水机组冷凝温度和冷凝压力的降低。也就是说在空调季节的很长一段部分时间内,风冷式冷水机组可以凭借较低的输出功率做不满负荷负荷运行, 从而避免满负荷运行的耗电大的缺陷，达到节能的目的。另外,健康环保问题已经成为广大用户的注意焦点。对于水冷式机组，冷却塔内的高温高湿环境则极易滋生对人体有害的病菌，所以进出冷却塔的循环冷却水应经常更换和补充新水, 以保持其清洁, 防止有害细菌滋生, 造成所谓的“空调病”。而风冷式机组则是直接与空气换热，不会造成周围环境的污染。

参考文献

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[2] 李波，孙淑杰。风冷与水冷制冷方案的比较。铁路工程

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[4] 吴占臣。蒸发温度和冷凝温度变化对制冷机性能的影响。

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[7] 王妍，崔行义。风冷与水冷制冷机组运行的能效比及投

资、运行费用的对比分析。城市建设理论研究，2011年第21期。

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[9] 西安凯莱节能工程设备有限公司。水冷螺杆机组与风冷

模块机组的比较。2010年10月。