大温差空调水系统方案设计

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1、摘要：本文着重分析了空调水系统水温与系统能耗的关系，通过举例讨论了大温差水系统方案的设计方法。关键词：大温差空调水系统空调系统节能引言为了降低空调水泵的输配能耗，近10 多年来大温差空调水系统开始得到应用。这里所说的大温差只是相对经采用的5温差而言的。国内一些新建或改造工程采用5/12、6/13，国外还有采用4/14系统，冷却水温差也在加大，32/38 、32/39 我国在GB50189- 2005公共建筑节能设计标准中也推荐采用大温差水系统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。很多文献阐述了大温差的优点，通过案例计算系统节能效

2、果。因为每个建筑项目的特点都不一样，且影响冷机和水泵电耗的因素比较多，所以不会存在个“放之四海而皆准”的水温。可是，目前没有一个指导大温差水系统设计的技术措施，如果不当应用大温差技术，反而使系统运行浪费能源。设计大温差水系统的核心问题应该是：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。本文先分析上述影响因素，然后通过示例讨论水温的确定方法，供设计者在确定水温时参考。1 决定水温的因素如下4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

3、，如水管道的长度和阻力。下面逐一分析上述这些因素与水温之间的关系。1.1 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。过程已经被写入大学的专业教科书里。理论上，设计者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 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），1.2

4、末端表冷器特性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=U S LMTD （1）式中：Q换热量，kW；U传热系数，kW（/ m2)；S传热面积，m2；LMTD空气与水的对数平均温差，。LMTD=（T2- T1）/Ln（T2/T1） （2）式中：T2水盘管出水端的空气与水的温差，；T1水盘管的进水端空气与水的温差，。首先，上述算式仅适用于显热换热计算，对于同时有热湿交换的表冷器是误的。其次，如果目前采用，当水温差加大后，水侧雷诺数会下降，则换热系数会下降，也就是说U 不是恒定的系数。换热器厂

5、家的数据表明，当表冷器内水流量下降30% 时，雷诺数可以从9 00013 000 下降到4 0006 000，换热系数下降20%。表1 对比了同一盘管在2 种不同水温时表冷器的工况。我们发现，即使进水温度从7降低5，对数温差大了一点儿，可换热量却依然下降了，而且除湿量下降比显热量下降得多。对于24 排管、采用交叉逆流的风机盘管表冷器来说，换热特点与空调机组的表冷器大体相似，都呈现出换热量随温差加大而下降的规律。表冷器水管内流速下降是导致换热量下降的根源，所以换热器制造商应该开发新型产品以满足小流量应用。对于普通换热器来说，目前比较合适的做法是在换热器铜管水侧加装扰流器以增强换热。表2 的数剧是

6、在表1 所说的表冷器水管里加装扰流器后的数据。可以看出，扰流器对于58的温差是有效的。当温差达到9时，扰流器的作用开始减小。如果要维持制冷量，只能增加换热面积，这当然不经济。1.3 冷水机组我们知道，水温高低对水冷机组的效率有很大影响，冷水机组冷冻水出水温度越低，冷水机组效越差。对于冷冻水温在510，出水温度每降低1，冷水机组效率下降3% 4%。当水温下降到4时，效率下降大于4%，而且一般冷水机组的保护控制程序要求水温高于4。所以，冷冻水供水温度的下限是在45之间。对于采用满液式蒸发器的机组，当冻水供水温度确定时，回水温度对冷水机组的效率几乎没有影响。由于蒸发器内制冷剂侧是沸腾换热，换热强度较

7、水侧大得多，所以水侧流速降低导致雷诺数下降对换热的不利影响不明显。只有当温差过大，导致水流速低于1m/以下时，回水温度才开始间接地影响换热效率。目前冷水机组换热器在5时的水流速在23m/s 之间，所以，温差从5提高到10是可行的。1.4 水管道特性理论上，当设计冷负荷和水系统阻力特性一定时，水泵的功率与流量成三次方成正比关系，也就是与水温差的三。我们把5水温差作参照系，即得到如下关系式：N/N5=（5/t）3 （3）式中：Nt 温差时的水泵功率；N5温差是5时的水泵功率。我们把N/N5称为功率比。根据该算式画出一条水泵功率比与水温差的关系曲线可以看到，随着温差的加大，水泵功率比减少的斜率越来越

8、小，这反应出大温差节省水泵功率的边际效应（见图2）。当温差从9加大到10时，功率比仅下降5%。2 大温差系统方案设计示例下面讨论北京某服装服饰商场的空调水温设计方案。该建筑设计冷负荷9 130kW，选择3 台制冷量为1 000RT（3 516kW）的离心冷水机组。末端采用全空气系统，代表性区域设计室内温度25，相对湿度50%，新风量7 500m3/h，室内人员300 人，室内全热135kW，潜热35kW。采用一次回风方式，初设空调机组盘管后送风温度13，风机温升2，则房间送风温度为15，那么系统送风量为29 703m3/h，取30 000m3/h；再通过室内散湿量确定送风含湿量为9.5g/kg

9、；查焓湿图确定盘管后送风状态点为13/12.6。由图3 可以初步判断出供回水温度在513。据此初步方案对比确定如表5 所示的5 个水温配对方案。负荷分布特点如图4 所示，50%80%的负荷率占全部运行时间的近70%。小结：从根本上讲，冷冻水供回水温度不是由冷水机组的性能决定的，而是取决于送风状态点和表冷器的特性这2 个因素，冷水机组特性和部分负荷特点只是一些约束条件。对于同一送风状态和表冷器，我们可以求出多个供回水温配对组合满足送风状态，所有这些组合构成一个集合。然后，再结合约束条件，我们可以获得一个交集，这个交集是满足所有条件的水温配对。最后，可以试设定几组供回水温度配对方案，通过比较各个方案的全年能耗来优选出最终方案。