空调大温差能耗

空调大温差能耗分析摘要：本文对空调大温差这一空调领域的新技术，从送风大温差、冷冻水大温差及与变流量、冰蓄冷相结合的冷水大温差和低温送风系统进行了分析。与常规系统比较，大温差技术能减少系统的运行费用，节约能源尤其是高品位的电能，能减少系统的一次投资。关键字：大温差风系统水系统节能1.概述随着空调系统和空调设备的大量涌现，空调的能耗已经成为一个引人注目的问题。城市建设的发展，建筑能耗已占全国总能耗的30%左右，而空调耗能一般占整个建筑能耗的60%以上，且比例不断增加。城市每年的用电高峰在夏季，空调在此时间内的耗电要占总发电量的30%左右，有的地区，如广州地区高达50%～60%[1]，因此，对空调系统的节能要求提到了十分重要的位置。空调系统的设计中出现了许多诸如变风量空调、变水量空调、大温差空调、蓄冷空调等技术在空调中的应用。空调大温差是指相对于国内空调常规设计的送风、水温差为5℃而提出的，指空调系统的送风、水温差大于常规温差[2]。在国内大温差技术正处于发展时期，到目前为止，技术在实例中的应用还比较少，与较早应用该技术的发达国家相比，我国的大温差技术还处在吸收和探索的阶段，仍然有许多问题需要进一步深入研究和解决。目前，大温差系统可分为：大温差送风系统，送风温差可达14～20℃；大温差冷冻水系统，进出口水温差可达6～10℃；大温差冷却水系统，进出口水温差可达6～8℃；此外还有和冰蓄冷相结合的低温送风大温差和冷冻水大温差系统，风侧温差可达17～23℃，水侧可达10～15℃等[2]。2.大温差技术在空调系统中的应用2.1送风大温差系统大温差送风温度一般为4～9℃，常规空调送风温度为13～16℃。采用大温差送风系统，合理调节新风比例，可使人体的热舒适感没有明显改变,但系统的耗能却有较大幅度的变化,适当加大送回风温差可减少水路、风路系统的容量,降低水泵、风机的功率。在国外，舒适性空调的送风温差遵循这样一个原则：在空调房间气流组织合理的范围内，所选择的送风温度应尽可能低[3]。2.1.1大温差送风系统的特点大温差送风系统具有较大温差较小风量的特点，因送风温度的降低，送风温差的增大，使送风量大大减小(可减小到常规空调的50%)[4]，可节省系统的一次投资费用和运行费用,若大温差技术能与冰蓄冷技术和变风量系统相结合,将会取得更明显的经济效益。另外，大温差送风系统是在较低的送风温度下运行,因送风温度降低，系统管道及设备外部结露的可能性增大,对送风系统的保温的要求比较高，在设计中应给予足够重视。2.1.2大温差送风的实现方法目前大温差送风的实现有加大常规空调的送回风温差和采用低温送风的方法,低温送风可结合冰蓄冷技术运行，这两种方法要求空调末端设备作相应的改动,以适应新的传热条件,低温送风要解决出风口结露的问题。目前大温差送风的送风温度低至4℃，送风温差可达20℃[4]。与常规送风温度相比，当送风温度为7℃时，风管尺寸减少30%～36%，空气处理设备的外型尺寸减少20%～30%，送风系统的风机功率可减少13%～27.7%，系统投资可减少14%～19%[5]。我国目前推行冰蓄冷技术还存在一些障碍[6]，主要是：①我国目前大部分省市电价峰谷电价差政策不稳定，如果有稳定的峰谷电价差政策，且峰谷电价差在3:1以上和减免电力贴费时，可采用冰蓄冷空调系统。②与常规空调系统相比，冰蓄冷系统增加蓄冰装置，因此一次投资高30%～40%。③占地多。④系统运行复杂。2.1.3大温差送风系统的能耗分析同一项工程，假定一切条件均相同，忽略空气的物性参数在常规送风与大温差送风时的变化，对常规温差和大温差分析时，送风量和风道阻力都会发生变化[2]。空调系统的总送风量与送风温差的关系为：（1）式中：G空气质量送风量kg/s，Qx室内显热负荷kW，Cp空气定压比热J/(kg℃)，tn室内干球温度℃，to送风温度℃。钢板风道摩擦阻力计算：秀Ｒ锁m乞=1.05×宝10辟-2各Ｄ帅-1.21瑞ｖ者1.925故右（覆2窜）波式中：另Ｒ浸m疑风管单位沿程沫阻扎力钳p吊a帜/集m咏，谈Ｄ勿风管直便径杰m毛，眨ｖ久风心速穴m/店s步。馋相应风机的轴涉功率计算：（3）L=G/ρ锣式中：捞L敲空调送风钢量须m瓜3炉/熊s奔，斧Δ高H蓝风道系统全压脆损邪失昌p望a烈，立η痕tf鸦风机全压效率尿，泪ρ段空气密眠度离kg/m纯3请。岁从理论上对以归下五种方案进久行比较：蜡方案巩风量转管径敬风速淹阻力搂N址F歌L养D震v族R宇1拒L虹D卷v兼R大m乳N躺2绒0.5L叔0.707D乡v辩1.521R站m机0.761N草3训0.狡67L啊0.816D宇v读1.279R胜m受0.853N及4伞0.5L减D保0.5v挑0.263R讲m盼0.132N朴5驶0.67L跟D卡0.67v储0.459R饶m错0.306N泳比较以上方案揪，当系统的送笼风管道不变时翁，随着送风温羽差的增大，单惕位管长的沿程付阻力和所需风谢机功率减小。垮当系统的送风湿温差增大一倍堂时，风机功率享为常规送风这的淹13.2普%伞。僚进行大温差设淘计时，一般使东系统的风速同颤常规温差风速替基本不变，因豪此，单位管长桐的沿程阻力将胁随着送风温差怀的增大而有所迷增加，但系统貌的管道直径减调少，总体上风网机的轴功率随铸着送风温差的起增大而呈下降肃的趋势。当系唯统的送风温差扑增大一倍时，眯风机功率为常丰规送风左的惹76舅%吹。乱2.2恨异空调水大温差艺系统颗在空调系统的折运行中，目前箱水系统的输配工用电量一般占耍系统总耗电量荣的爸15忆%浇～乘20同%春。而且按名义之工况设计的空汉调系统，在实均际运行中，大度多是采用定流等量系统，全年向大部分时间处然于非设计工况分运行，且运行瑞时间内冷水温至差很小，有时多仅宗为上0.棉5反～筒1咸.耕0模℃援，在小温差大域流量情况下工漠作，造成冷水猾泵能量的大量蓬损止耗绵[7轻]过。小采用冷水大温杨差运行，因其瓣冷水特性为小拢流量大温差，音可降低冷水泵做输送能耗，容暂易满足部分负牵荷运行的特性羽，实现系统节讽能运行。舰承奋冷水大温差设区计的特点惠大温差冷水系扛统可以节约系室统的循环水量闹，相应减少水常泵的扬程及运释行费用，减少投管道的尺寸，嘱节约系统的初药投资。冷却水寸大温差设计时坦，可以减少冷原却塔尺寸，节驶约冷却塔的占法地面积，减少屯水泵的流量和附水管的尺寸，舱当冷却水温度旷比常规水温高愁2您℃唐时，可减少运亭行费槽用改3妙%稻—念7携%尖，节省一次投它资圈10上%建—胁20%[8毫]菊。悉川授大温差水系统曾的运行分析晕与风机的性能哭分析相似，用绣水泵的相似理刃论进行分析，金当冷水供回水久温差增大一倍飘时，冷却水泵迁的运行能耗减括少川68.5庸%果。国内已有这愤方面的文献，株这说明采用冷亲水大温差运行跳的经济效益是内非常明显的。剩但这种分析方凑法只对水泵的尊能耗进行分析骑，而没有考虑群管道系统的阻每力变化对系统绞能耗的影响，浆是片面的，在灯实际的工程设涝计中，管内水略速一般采据用粪1蝴～招2宴ｍ抽/蜓ｓ（国际上允包许的管内流速吐比国内高得多妈）。因此，流壶速不变时，由挑于管径减少，文单位管长的磨伪擦阻力增加，吸实际运行时不届能达剧到绣68.5战%仆的节能效果。甜与常规空调设壳计相比，在相炊同冷负荷的情里况下，冷冻水后大温差时的冷议水量较常规温仅差时小，冷冻间水泵和冷冻水兔管道的型号规卫格相应地需要顶减小，当系统携内水管布置、盟水量分配和水柿流速不变时，树系统的局部阻坊力变化很小。简假定系统管道笋为钢管，系统铺内冷冻水在各凉温差下的流速弹不变，忽略管浊道系统的局部肿阻鞋力套.妨在各温差下各咳型号水泵的效赤率相莫等肝[9似]超。举钢管的沿程阻阿力按以下公式润计算：谣P=7.22途9×10纹-4姥V设w律1.852姥D妄-1.167熔（角4季）鼓水泵轴功率称：词猜（宿5奸）犁式中：夕P河水管沿程阻攻力喉m/愿m留，虹N绸1讲水泵轴功率，码η区1辜水泵全压效率汤，穴D糊管内颤径馒元m东，第V鞠w焰管内平均流挠速塌m/概s蜜，狡W块空调冷冻水姐量蚂m惕3伯/暂s背，稳Δ碗P先水系统全压损率失贫p无a泊。（6）泰当水管布置、尼水量分配和管塘内水速相等获时渣,震管内局部阻力肚基本不御变中,脊供回水温差增书加一井倍罪,婆即水量减少一袜半沉,沾水管直径Ｄ材2勺=0.70序7御Ｄ溜1伐,智水管摩擦阻力呢增加撤了萄50%督,椒而水泵电机功勤率降为原来跪的愈75何%范。即在冷水大单温差下，水系愁统运行可节能龙约拴25里%斑。僻为了取得更好腊的节能效果，来可以采用冷水蛮大温差与变流励量技术相结合故方法。据统计浸，目前国内空均调系统的平均惑负荷率见为夕30谎%驻～论50剑%心。即采用定流警量设计时，按垒大温差设计的掠空调系统，在逼全年大部分时廉间内运行的冷沿水温差将不能钞达到设计值，网冷水泵全年处触于满负荷运行膊，能耗基本不搅变。砌在空调系统中寻，水泵投资约箱占空调系统总搁投资锤的弊0.5旦%式～肾1凶%析，与大温差相月结合的变流量霉系统，可以通棋过双级泵或变孕主流的方法来粘实现冷冻水的晓变流量运行。川①什、双级泵系统葛，是通过一次赶泵保证冷水机凶组的定流量运启行，而用二次垫泵变流量运行读来实现负荷侧蔽流量的变化，击因变频调速水菌泵的调节范围押在璃50解%节以上的效率较客高，目前二次艇水泵可以阴在愧50翁%炮以上的范围内莫进行流量调节世。励②补、变主流系统室和单级泵系统维相似，只是冷杯冻水泵是变速良泵而不是定速家泵，可以随负蛋荷变化而改变斯进入冷水机组伸的水流量，其梅流量一般可控挖制殿在矛60遮%席～叶100虫%众之间。洞这二种方法的永节能效果，与佳单级泵相比，钉双级泵系统可驱节歌能队50址%挣，变主流系统向可节限能微59%[10耕]蛋。因此，与大哈温差相结合的咐变流量空调水捎系统，采用双历级泵系统时，控与常规空调的舱单级泵相比，暮节能可达蚁到帮62.5秃%后，采用变主流方系统时节能可容达脱到姑69.3传%矮。伍2.3举迎大温差运行冷逃水机组分析绍冷水大温差设界计节约了系统梯的循环水量，素相应减少了水老泵扬程及耗电激量。由于冷却枕水供回水温差末的增大，使冷倚水机组的冷凝偶温度上升。在睛冷冻水侧，蒸同发器换热面积非保持不变的情泡况播下幸,毁通过冷水换热摘系数与流速的淡关系、总传热液系数与流体对调数平均温差的找关系、蒸发器圈的总传热热阻悠与冷水侧热阻税的关系以及壳沾管式蒸发器中磨对数平均温差丈的表达塌式端,付可推得冷水出猪口温失度席t棒wo额、进出口温览差禁△越t框w视与制冷剂蒸发视温度的关系淋为填[7]:（7）拢式中：委t蓝0嫩大温差工况时汪制冷剂蒸发温例度夫(光℃篮),携t愤wo陷冷水出口温惨度烂(此℃城)猜，雾△总t逆w每冷水进出口温玻差向(莫℃羡)承。恳由上式可知，屠在冷冻水出口胆温度恒定惕时叠,话制冷剂蒸发温哈度随冷冻水进桃出口温差的增洒大而提想高点,动随其减小而降量低。在冷冻水得进出口温差恒傻定轨时劝,药制冷剂蒸发温院度随冷冻水出唇口温度的上升含而提吐高袍,环随其降低而降生低。因挨此练,话对于大温差运咱行工锣况话,甘与名义工况条甚件相渗比行,遭虽然冷冻水进县出口温差增朝大杨,开但制冷剂蒸发呀温度随冷冻水灶进出口的温度嚼变化而变化，袍其值可能升高殖也可能降低。平对冷水机组制首冷量与能耗分写析如下：涨制冷量计算：已q填0露=映K克Δ晴T姐m阀铺（适8唉）（9）（10）赶式中：肆Q虾0幻冷水机组冷份量星k嘉W锋，构Δ恳T丸m漆制冷剂与冷冻煌水对数平均温非差勇℃晃，取α瞒1指冷冻水侧换热匹系数，宁α偿2朝制冷剂侧换热览系数。贩水侧换热系数林：炒在计算中，我比们选取适当的芝水流速，使温蔬差时的雷诺就数捕R捧e想＞蹲10腥4干，处于旺盛紊启流区。执Nu=0.0定23Re根0.8叠Р尘r分0.3映阶（先1却1脚）（12）墨文极献移[11张]裁核算冷冻水大坡温差时对冷量嚷的影响和对传置热面积的要求置显示：常规温葱差与大温差姑1姐0铸℃下（进水碍1乞7听℃关，回水浅7妖℃窃）相比，大温幻差时传热系数司减少，但增大其了对流换热两展侧的传热温差检由（贿3.9垮9醉℃岂到袖4.3搜3吸℃膊），在冷负荷覆不变的情况下殊，按常规温差携设计的冷水机质组，不改变传代热面积同样可谁以实现冷水大酱温差运行。理资料分析显版示横[9罚]作，当冷水机组含的冷水出口温而度不变例时深,尽将冷水温升加心大坝1牙倍联,梁电机功率变化桃很重小堪,陶或没有变搏化射,气甚至有所下瞒降椒,矩而压降则明显血减小。当冷水医机组在冷水进吵出口温差相同晓时德,半随着冷水出口参温度的降辱低规,朽单位质量制冷帽量能耗增各加沈;仰制冷效率相应灭有所降低。在薪冷水进口温度须相同雹时各,碎随着冷水进出示口温差的增波大君,送际冷水机组蒸发骗温度降踩低荒,夸单位质量有效写能损失呈明显锋上升。机组的多冷量和轴功率巩均相应下搅降居,码但是下降的幅汉度有很大的不遣同笔,刮蒸发温度降低赚1疗℃赵,布冷量减角少傻1.8码%假～扫6%辫;猜而轴功率减疏少朽0嫌～位0.5索%获。降低蒸发温贤度胃,耽则电机功率增盼加虏,雹尤其是冷水初婚温降低至戏5平℃允时逢,稠电机功率明显如上升。丝但当冷水温差辞不变时，冷水尊机组进出口水抗温越低，制冷由剂的蒸发温度哲越低，相应冷吨水机组的效率予就越低，因此状，在大温差下晨冷水机组的制鼠冷量可能小于鼓常规温差的制天冷量，需对具神体问题进行分雅析。辱最废送风大温差系炒统末端装置拜送风大温差系歌统，尤其是与默冰蓄冷相结合赠的低温送风系剖统，在风口处惠易产生结露；移室内的换气次竖数减少，影响锤室内的气流组铅织，易形成局境部过冷和局部涛过热的现象；忍且送风温差增湖大，冷风直接呼送到工作区时晋，人体感觉不渴舒适。因此，万设计送风大温殿差系统时，应额考虑空调房间边的气流组织良芹好，当实际送折风量不能达到静良好气流组织使所需的送风量凭时，可采用冷弟风与部分室内肾空气混合后再忆送入室内。菌槐碎冷水大温差系己统末端装置迫对于同一空调散末端机组，式针（即1臂0末）中，冷水温着度由常规温乖差丸⊿帐t持（进水温大度基t麻1酒，回水温很度的t召2纤）改为大温挂差拼⊿枝T欲（进水温右度拴T臭1劲，回水温浅度慢T糊2霸），管内水流夸速减少，水侧坡的对流换热系止数伴α冒1责和表冷器的传币热系半数处K望值减少。但式迟（辣1净1痕）信中疼⊿核T累max污与骨⊿窑T筐min乌相应发生变化省，对数平均温唐差听⊿捕T枣m斥随冷水温差的仿增大而增大。胃由式谈（趟9涝）可知当采用朵冷水大温差后须，同一空调机招组的制冷量可拔能增大也可能呼减少。唯经试算，在给恶定的大温穷差旺⊿垦T驴’磁下，取合适奶的耀T的1贸’狼和石T芬2户’宪，空调机组的全冷量不变。此愿时若降低冷水佩供、回水温度娘（占即昨⊿姥T剩=胳⊿垂T根’屡，站T1<T鸽1遍’摔，肤T2<T贝2疾’桑），假定风侧珠参数不变，由口式糖（卷1仪1疏）可知，分瞒子括⊿皱T三max爷-持⊿饼T性min荷保持不变，分葡母增ln剧(胡⊿顷T兵max勤/鸣⊿总T犁min勺)墨减少蔬，惩⊿早T逢m助增大。由式被（捎9影）得冷婆量副q抵增大，因此在欧保证相同冷量洒时，降低冷水腊大温差的供回稀水温度，可以被减少空调机组燥的型号尺寸，粮降低系统的一尾次投资。反之携若升高冷水供眠、回水温度，陷空调机组的冷宴量将减少，为心保证系统的冷卫量，可增加表床冷器的排数或陈增加表冷器的邮迎风面积，增疫加系统的一次密投资费用。其桑经济性需对具悉体项目进行综玻合分析比较。3.结论允送风大温差减支少了送风量，诚冷水大温差减揭少了冷水量，虾使管道、输送腰设备和处理设腔备等型号和尺侍寸相应减少，赔节省了空调系搏统的一次投资恳和运行费用。搁然而，增大了塘管道系统和各漂设备结露的可冈能性，对系统沙的保温提出了话更高的要求。耍空调大温差对郑冷水机组和空谎调末端装置的僵影响比较复杂泥。其节能效果俯需对具体项目无进行具体分析窜和比较。栋与冰蓄冷相结层合的大温差系箱统，由于冰的岔温度在饺0钢℃沙以下，很容易侵实现低温冷冻码水系统和低温庭送风系统，对钟管道输送系统著和末端装置均作能节约系统的肚一次投资和运佩行费用。另外肿，冰蓄冷系统插对电网负荷纸的壁“卧移峰填服谷悔”塔作用，虽然系餐统需度增设蓄冷设备饮而增加一次投街资，但可以节岛省因建电力调箩峰电站巨大费炮用，具有更大够的意义。萍与变流量相结冈合的空调大温杨差系统，能充针分利用变流量炸的特点，在系归统的负荷低于接最大负荷时，历可以通过改变尼系统的流量，铲保证系统在大遭温差下运行，努与常规空调相乐比，其节能可鞠达耽到渔62.5县%朽～盼69.3浆%洞。困然而，大温差维技