“大温差”冷热输配系统

“大温差”冷热输配系统

摘要：本文通过大温差冷热输配系统可行性分析，设计方法，对大温差冷热输配系统设计提供了指导。

关键词：大温差可行性设计

大温差小流量是一个减少空调系统投资，降低能耗的先进观念。大温差的目的是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，同时降低系统初投资。

1“大温差”冷热输配系统可行性分析

大温差系统较常规温差系统最大的优势就是节能和节省管网、水泵等的初资。在过去的30 年内，冷水机组的效率几乎提高了一倍，冷水机组占整个系统能耗的比例已降低了20%，而冷却塔和水泵的能耗比例提高了10%。在输送一定量冷量的前提下，由公式Q = M*Cp*DT可知，提高供回水温差，可以大大减少循环水量，从而减少水泵能耗。同时，由于循环水量减少，水泵的大小、管道的大小、阀门的大小都可以减少，在初投资方面会有一定的减少。

大温差的目的是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，同时降低系统初投资。大温差可以在冷水侧或冷却水侧实现，也可以在空气侧实现。在过去的30年中，随着冷水机组的技术改进和机载控制技术的革新，冷水机组的单

位冷量能耗大大下降。当效率接近卡诺循环这一极限，即COP接近8.33时，

机组的材料成本将会剧增，其原因在于，为了使效率得到微小的提高，不得不在换热器中增加很大的传热面积。因此，即使机组效率可以继续提高，其代价也是十分高昂的。

因此我们把目光转向系统，把70年代冷水机房与现在机房的能耗进行比较，无论是满载还是部分负荷，当今机房内水泵、冷却塔的装机容量所占的百分比都高于70年代。与冷水机组配套的水泵、冷却塔是否还有进一步下降能

耗的可能？答案是肯定的。实施大温差可以有效地优化系统，达到运行节能的

效果，它不是着眼于系统中的某一设备，而是作通盘的考虑，追求系统总效率的提升和初投资的降低。

多年来冷水机组的冷冻水供、回水设计温差通常为 5 ℃。冷水机组提供的冷量与冷冻水的供、回水温差和流量有关，计算公式如下：Q = M*Cp*DT（1）式（1）中假定比热Cp 为常数。若所需的冷量Q不变，则既可采用增大流量M而减小温差DT 的方案（即增加水泵耗功而减少机组耗功），又可采用减少流量M而增大温差DT 的方案（即减少水泵耗功而增加机组耗功），而这两种方案的系统总能耗可能并不相等。随着水流量的减小，整个系统的总能耗是逐渐减小的，冷却水水泵、冷冻水水泵及冷却塔的能耗也是逐渐降低的，而压缩机的能耗则反而增多。这个变化趋势是与水流量减小而水温差增大有关的。

采用System Analyzer 进行系统全年运行模拟分析，计算全年主机水泵和冷却塔的运行能耗。System Analyzer是基于DOE-II 计算技术开发的能耗模拟分析软件，可分析不同操作条件下空调系统的能耗。许多工程模拟后的结果可知，采用大温差小流量系统以后，冷却塔的年能耗从降低，水泵的年能耗从降低，冷水机组的年能耗从增加不超过10%。以上三项汇总，年冷水机房总能耗从降低幅度明显。因此，大温差系统意在让冷水机组承受相对严苛的工况来使系统的其它部份诸如水泵、冷却塔的能耗得以降低，从而达到系统运行节能的目的

2“大温差”冷热输配系统设计方法

大温差水系统实际上是“牺牲”冷机的效率──冷机电耗增加，换取水泵电耗的降低，从而试图使整个系统运行电耗下降。合理采用大温差水系统可以方便设计、节约能耗。设计大温差水系统的核心问题是：根据项目特点权衡各种因素确定供水温度和回水温度，以实现空气处理过程，并优化系统运行电耗和投资。如何选定合适的供回水温度成为首要任务，合适的温差不仅能够降低部分负荷运行时的能耗，更有利于机组的稳定运行，延长机组寿命。

如下5点是决定空调设计水温的主要因素：

（1）送风状态（温度和湿度）；

（2）末端表冷器的换热特性；

（3）冷机电耗与冷冻水、冷却水出水温度的关系；

（4）水系统的水力特性，如水管道的长度和阻力；

（5）全年负荷特点。

下面逐一分析上述这些因素与水温之间的关系。

2.1 送风状态

系统设计的最终目

标是实现空气处理过程

以满足室内设计热湿负

荷，空气处理过程决定设

计送风状态，根据设计送

风状态点和表冷器换热

特性计算冷冻水温度。理

论上，要通过试算求出系

统设计水温，实际上，

7/12℃或 5/10℃的冷冻

水温是前人通过大量工

程实践摸索出来的经验值。

在图 1 的空气焓湿图中，从实线所示的处理过程不难看到，当室内空气状态、得热量和产湿量确定后，热湿比线就是确定的，那么最低送风温度就是确定的参数，如图1 所示的 S1点。如果提供更低的冷冻水温度，使送风温度继续降低（如图1 中的 S2点），那么室内空气湿度会下降（当采用温度控制时），室内空气状态的焓值就会下降，从而导致新风处理焓差加大，增加了表冷器制冷负荷。所以，在大冷冻水温差系统中利用低供水温度降低送风温度，可以减小送风量，降低风机功率和空调机组造价，但总体上不一定节能（需要权衡风机、水泵和冷机等的总功率）。

相反，如果提高回水温度，送风状态点就会在 S1点的右侧，表冷器平均温度会逼近室内露点，导致表冷器除湿量锐减，室内空气湿度升高。

所以，从某种意义上说，当室内负荷特性一定时，空调冷冻水温度就被限定在一定的范围内。在确定水温时不能单纯为节省水泵或风机的输配能耗，任意拉大水温差，而忽视空气处理过程这个终极目标。

2.2 末端表冷器特性

根据实验与分析可知,冷水侧的大温差应该是朝着低温的方向发展,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间的对数温差,虽然大温差形成的低流量会降低表冷器的换热效率,但总体上,末端的表冷器的换热量增加了,因为对数温差引起的换热增加大于流量减少导致的换热减少,换句话,合理配置低温低流,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。

有些文献提出采用如下算式来判断水温对表冷器换热量的影响，假定换热系数恒定，如果对数换热温差不减小，则表冷器换热量就不会下降。这个推断是不正确的。

Q=K×A×ΔT （1）