冷水大溫差組合式空調機研發報告

時間：2024-10-17 14:11:30

冷水大溫差組合式空調機研發報告

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冷水大溫差組合式空調機研發報告

　　摘要本文闡述了對冷水大溫差組合式空調機組的研制開發過程中所作的大量試驗研究工作，包括表冷器排數、迎風面積、冷凍水初溫、肋片材質、管程數等對空調機組性能的影響。并對試驗結果進行了對比分析，提出了設計冷水大溫差機組的技術要求。

　　關鍵詞冷水大溫差組合式空調機組表冷器

　　1引言

　　冷水和冷卻水的輸送耗電量通常占空調總耗電量的25%左右，因此水系統節能十分重要。常規空調系統的冷水溫差為5℃，名義工況冷水供回水溫度為7℃/12℃，而大溫差系統的冷水溫差為8～10℃。由于冷水溫差的加大，因此冷水量、水管直徑、水泵容量都減小，使初投資和運行費降低，初投資可以降低5%～10%，年運行費可以降低30%～50%。

　　我們在研究冷水大溫差系統時進行了大量試驗，通過對試驗結果的分析，掌握了設計冷水大溫差空調機組的技術參數，并在此基礎上開發了大溫差系列空調機組。我們將研究成果運用于某市地鐵站臺空調工程的全部組合式空調機組的設計中。產品經公司檢測中心、同濟大學供熱通風與空氣調節實驗室和國家空調設備質量監督檢測中心的檢測，測試結果完全達到了設計要求。

　　冷水大溫差組合式空調機組不僅采用了冷水大溫差技術，而且采用了特殊的結構設計，消除了冷橋現象，獨特的防漏風設計則使機組漏風率遠遠低于國家標準。此外，采用的均流措施使空調機組的斷面風速均勻度等各項指標均優于國家標準。

　　2冷水大溫差組合式空調機組的研制

　　對組合式空調機組而言，冷水大溫差主要是通過表冷器來實現的，因此，為了保證表冷器的進/出水溫差達到8～10℃，則必須對表冷器結構及其相關技術參數進行深入的研究。

　　我們研究的重點是：如何優化表冷器的結構參數（如排數、迎風面積、管程數等）以保證冷水和空氣通過表冷順能夠得到更充分的熱交換，從而達到冷水大溫差（8～10℃）的要求。通過這些研究可以達到下列目的：a、當供回水為大溫差時，空調機組能夠滿足設計工況下所需的冷量，并且空氣阻力、水阻力等各項技術參數處在經濟合理的范圍值之內；b、減少空調系統投資與運行費用。由于大溫差空調機組能夠在相同的進水溫度條件下，采用較小的水量，產生與常規系統相同的冷量，因此，采用冷水大溫差空調系統的水管路及其附件、保溫和水泵等初投資和系統運行費用比常規系統都要減少，而且空調系統越大，其優越性越明顯。

　　3冷水大溫差對空調機組性能的影響

　　對于冷水采用5℃溫差的空調機組而言，由于：a、冷水機組的水量是按照5℃溫升確定的；b、通常表冷器管內水流速偏低；c、系統安全系數較大，因此空調機組冷水大溫差即使無法保證規定的5℃，對空調系統的影響也不是太明顯。但是當冷水系統采用大溫差后，冷水溫差由5℃增在到8～10℃，由于：a、冷水機組的水量已按照水溫8～10℃設計；b、為體現大溫差的優越性，水系統的管徑已按大溫差設計；c、水泵已按照大溫差進行選型。因此，如果此時仍然采用常規溫差空調機組，其性能會發生很大的變化。通常情況下會出現下列幾個問題：a、空調系統很可能因為空調機組冷水溫升過小而冷量不夠，若要保證空調系統的冷負荷要求，需要增加空調機組的數量，從而增加初投資和運行費；b、空調機組按照常規空調系統設計，為了保證空調機組的冷水溫升，使其水流量減小而導致冷量不足，同樣需要增加空調機組的數量，來保證空調系統的冷負荷要求；c、空調機組的去濕能力下降，導致室內相對濕度增加，使人員的舒適度降低。

　　試驗結果（見表1）表明：冷水大溫差對空調機組的影響較大。如果采用與常規空調機組相同的配置，空調機組的熱工性能將明顯降低，當冷水溫差由5℃加大到10℃時，表冷器的產冷量下降，出風溫度上升。因此，采用冷水大溫差系統時，不能原封不動的使用原有空調機組，否則，將不滿足大溫差空調系統的要求。

　　不同溫差對空調機組性能影響的試驗表1

　　性能表冷器1表冷器2

　　Δt=5℃Δt=10℃Δt=5℃Δt=10℃

　　進水溫度(℃）7676

　　進風干/濕球溫度(℃）27.01/19.5426.86/19.3227.00/19.5526.83/19.61

　　出風干/濕球溫度(℃）14.01/13.2417.21/15.5615.66/15.2318.62/18.20

　　水量（t/h）0.8570.2982.2440.816

　　水流速(m/s)1.110.3870.850.31

　　水阻力(kPa)28.425.4419.623.34

　　冷量(kW)4.9793.32513.09.5

　　風量(m3/h)798.14875.871425.61431.9

　　迎面風速（m/s）1.31.442.0792.088

　　冷風比（W/m3/h）6.243.809.1196.635

　　為了研制冷水大溫差空調機組，確認設計空調機組時應采取哪些技術措施才能使空調機組滿足冷水大溫差空調系統的要求，我們做了大量的試驗（見表2～5），由于篇幅限，下面我們只將排數、迎風面積、冷水初溫、肋片材質等對空調機組性能影響的試驗結果列出，并進行分析。

　　4表冷器排數對空調機組性能影響的試驗

　　表冷器排數對空調機組性能影響的試驗表2

　　性能排數

　　468

　　管程數101010101010

　　進水溫度(℃）777777

　　水溫差(℃）510510510

　　進風干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

　　出風干/濕球溫度(℃）15.57/13.9716.90/15.3013.36/12.1414.97/13.7512.16/11.0613.91/12.81

　　冷量(kW)16.3512.6521.1416.9323.8119.40

　　水量(t/h)2.811.093.641.464.091.67

　　水流速(m/s)1.050.410.900.360.760.31

　　水阻力(kPa)16.258.3817.359.2212.462.10

　　空氣阻力(Pa)99.4099.28135.88135.78164.11162.38

　　迎面風速（m/s）2.302.302.302.302.302.30

　　從表2中的數據看出：相同規格的表冷器，當冷水溫升由5℃增加到10℃時，表冷器冷量下降的幅度與表冷器排數有關，下降比例分別為：22.6%（4排）、19.9%(6排)、18.5%（8排）。表中數據同時也表明：當冷水溫升由5℃增加到10℃時，表冷器增加兩排后，其產冷量與原有表冷器的產冷量相近，但空氣阻力增大了。

　　顯然，當采取增加表冷器的排數來保證表冷器的出風溫度和冷量時，表冷器的水阻力、水量減小。由于水流速較低，因此，對表冷器的熱交換性能產生了很大的影響，并導致表冷器產冷量下降。

　　5表冷器迎風面積對空調機組性能影響的試驗

　　表冷器迎風面積對空調機組性能影響的試驗表3

　　性能表冷器排數

　　468

　　管程數101010101010

　　迎風面積（m3）0.361590.480060.361590.49530.361590.50292

　　進水溫度(℃）777777

　　水溫差(℃）510510510

　　進風干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

　　出風干/濕球溫度(℃）15.57/13.9715.47/13.9713.36/12.1413.21/12.1012.16/11.0612.03/11.06

　　冷量(kW)16.3516.3521.1421.2223.8123.82

　　水量(t/h)2.811.413.641.824.092.05

　　水流速(m/s)1.050.520.900.450.760.38

　　水阻力(kPa)16.2510.0217.3510.7812.463.16

　　空氣阻力(Pa)99.4064.62135.8875.33164.1198.76

　　迎面風速（m/s）2.301.712.301.652.301.62

　　從表3中的數據，我們可以看出，采用增加表冷器的迎風面積來保持表冷器出風溫度和冷量不變的方法時，表冷器的水量、水阻力、空氣阻力、迎面風速均減少。同樣由于水流速太低，對表冷器的產冷量產生了很大的影響。

　　6冷凍水初溫對空調機組性能影響的試驗

　　冷凍水初溫對空調機組性能影響的試驗表4性能表冷器排數

　　468

　　管程數101010101010

　　進水溫度(℃）74.5574.5574.55

　　水溫差(℃）510510510

　　進風干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

　　出風干/濕球溫度(℃）15.57/13.9715.58/13.9813.36/12.1413.33/12.1112.16/11.0612.15/11.05

　　冷量(kW)16.3516.3221.1421.2223.8123.83

　　水量(t/h)2.811.403.641.824.092.05

　　水流速(m/s)1.050.520.900.450.760.38

　　水阻力(kPa)16.2510.0117.3510.7712.463.16

　　空氣阻力(Pa)99.4099.40135.88135.88164.11164.12

　　迎面風速（m/s）2.302.302.302.302.302.30

　　表4中的數據表明：當表冷器的時水初溫為7℃（溫升5℃時），其產冷量與進水初溫為4.5℃左右（溫升10℃）時的產冷量基本相同。表中數據同時還表明：在10℃溫升的條件下，降低表冷器的進水溫度，其空氣阻力基本不變，但水量、水阻力明顯降低，水流速也變小。顯然，由于水流速低，對表冷器的產冷量產生了一定的影響。文獻4認為，當冷水機組出水溫度為6℃，冷水溫差為8℃時，冷水大溫差的節能效果最佳，冷水流量減少37.5%，冷水泵能耗減少54%，冷水機組單位質量制冷量能耗與名義工況下能耗相當，效率降低較小。當冷水機組出水溫度為5℃、進出口溫差為10℃時，冷水機組的單位質量制冷量能耗和單位質量有效能損失均過大。因此只有在冷水機組能耗增加小于冷水泵能耗減少的情況下，才能取得真正的節能有效果。文獻5認為，表冷器冷水進出口溫差為7℃/17℃時，空調系統實投資不降反增，由于冷水機組處于極限狀態，有的生產廠供應不了此類產品。

　　7表冷器肋片材質對空調機組性能影響的試驗

　　表冷器肋片材質對空調機組性能影響的試驗表5

　　性能冷水溫差

　　Δt=5℃Δt=10℃

　　鋁箔材質普通親水普通親水

　　進水溫度(℃）7766

　　風量(m3/h)833836875839

　　冷量(W)5639589039714471

　　水量（kg/h）9931015350395

　　水阻力(kPa)11.512.417.723.5

　　冷風比(W/m3/h)6.76957.04554.53835.329

　　比率(%)100104.08100117.42

　　從表5的數據我們可以看出：表冷器肋片材質的變化，對表冷器產冷能力將有一定程度的影響，涂親水膜的表冷器翅片可以強化換熱效果，增大產冷量。

　　8表冷器選型設計與檢測結果的對比

　　根據試驗結果所編制的冷水大溫差表冷器設計軟件，對表冷器進行選型設計，然后經過權威檢測機構的檢測，結果對比見表6。

　　表冷器選型設計與檢測結果的對比表6

　　性能設計檢測

　　風量(m3/h)75007398.4

　　排數(排）66

　　表面管數(根)1414

　　管程數1212

　　迎風面積(m2)0.8280.828

　　迎風風速(m/s)2.5172.483

　　進水溫度(℃）8.008.00

　　進出水溫差(℃）9.009.00

　　進風干/濕球溫度(℃）28.964/23.63829.00/23.50

　　出風干/濕球溫度(℃）17.83/17.5016.55/16.25

　　水流速(m/s)1.121.187

　　水量（kg/h）51865498

　　水阻力(kPa)32.45634.27

　　冷量(W)5430058735

　　冷風比(W/m3/h)7.247.939

　　冷風比比率(%)100109.65

　　從表6中的冷風比比率值上可以看出：選型設計有接近10%的設計富余量，這一點是非常必要的。我們知道：隨著空調系統運行時間的增加，將會出現表冷器翅片表面沈積灰塵，銅管內壁腐蝕結垢等現象，因此，表冷器傳熱性能將有一定程度的下降。如果表冷器設計時沒有適當的富余量將導致空調機組產冷能力下降，并影響空調系統的運行質量。顯然，適當的設計富余量對確保空調系統的正常運行是十分必要和有利的。

　　9結論

　　9．1對于冷水大溫差系統，采用常規空調機組是難于滿足要求的，必須采用冷水大溫差專用空調機組。對于同一規格的表冷器，當冷水溫差由5℃提高到10℃時，表冷器產冷量下降，出風溫度上升。本文只適用于全空氣系統的組合式空調機組，不宜用于其它空調機組。

　　9．2為了使空調機組能夠滿足冷水大溫差空調系統的要求，可以采取增加表冷器排數、增加表冷器傳熱面積、降低冷水實溫、改變表冷器管程數、改變表冷器的肋片材質等方法。當然，最終采取何種方法應根據工程項目的要求，進行具體的技術經濟比較分析后才能確定。其關鍵在于如何確定最佳的表冷器設計方案。

　　9．3表冷器加大換熱面積可以增大產冷量，比增加排數的效果更好。其中縮小表冷器翅片片距來增大換熱面積，可以不加大機組外形尺寸，但會嗇表冷器造價，增大空氣阻力，清洗困難，容易臟堵。采用增加表冷器迎風面積來保持表冷器出風溫度和產冷量不變的方法時，表冷器的空氣阻力、迎面風速均會減小。但會加大空調機組的外形尺寸，增加造價，增大機房面積，顯然業主是不歡迎的。但當場地允許時，可以優先考慮采用增大迎風面積的方法。

　　9．4增加表冷器排數是為了補償采用大溫差后導致的冷量下降和出風溫度升增加排數可以不影響空調機組寬與高的尺寸，但空調機組的長度會加大。同時會增加表冷器造價，增大空氣阻力，相應增大空調機組電耗，而水量和水阻力卻減小。表冷器排數一般在8排以內比較合適，10排以上就顯得排數過多，換熱效果增加不多，但空氣阻力增大，造價也增加較多。

　　9．5降低表冷器進水溫度，可以加大產冷量。表冷器進水初溫為7℃（溫升為5℃）時，其中冷量與進水溫度為4.5℃左右（溫升為10℃）時的產冷量基本相同。在10℃溫升時，空氣阻力不變，水量、水流速和水阻力明顯降低。在大溫差條件下，降低冷水機組的出水溫度，冷水機組的性能是允許的。由于蒸發溫度下降，將使制冷量下降，同時由于水流速減小，也會使制冷量減小。因此決定表冷器進水溫度時，不能單純從表冷器提高產冷量考慮，同時也要綜合考慮冷水機組降低制冷量的不利因素。不能按樣本選用冷水機組，必須請制造廠根據軟件計算選型。

　　9．6加大管程數，提高水流速，明顯加大表冷器產冷量，就盡量考慮。但如水速過高時，會使水阻力過大。另外由于表冷器結構限制，也只能在有限范圍內調整管程數。

　　9.7表冷器翅片涂親水膜，促使冷凝水迅速流走，使產冷量加大。

　　參考文獻

　　1精亞集團，冷水大溫差組合式空調機組試驗研究報告，2001

　　2殷平，空調大溫差研究（4）：空調冷水大溫差系統經濟分析，暖通空調，2001，31（1）

　　3殷平，空調大溫差研究（5）：空調冷水大溫差系統設計方法，暖通空調，2001，31（2）

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　　5壽煒煒，空調用冷水溫差的擇優探討，上海市制冷學會1999年年會論文集

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