（制冷及低温工程专业论文）低温河水直接供冷空调系统的研究.pdf

摘要 自然冷能空调系统作为一种既节能又环保的空调系统有着与常 规空调系统截然不同的特点，分析河水自然冷能空调的特点、设计过 程、运行效果、经济性能及环境效益，对推广自然冷能空调、节约能 源和保护环境具有极其重要的意义。 首先对自然冷能空调系统冷热源的选择、空调水系统、负荷分配 方案、空调主机及配套设备等总体设计方案进行了详细的介绍，并分 析阐述了该类空调系统节能和环保效果。 以干湿工况基本理论为基础，提出了一种简便的，更适合于分析 在非标准工况下运行的风机盘管特点及性能的方法，利用此方法分析 了进水温度、进风干球温度和湿球温度对风机盘管制冷量的影响，并 得出了风机盘管变工况下的热工性能曲线；对鲤鱼江电厂自然冷能空 调系统风机盘管作了分析计算，得出了风机盘管在非标准工况下的实 际制冷量的变化规律，为自然冷能空调系统末端设备的设计和选型提 供了可靠的理论依据。 通过对典型户型室内空气的温度场、流场的模拟计算和分析得 出，即使室外气温达到3 5 ，该空调系统也完全能满足室内温度要 求，由此可知，利用河水自然冷能作为冷源的空调系统是可行的。 通过对自然冷能空调系统与常规中央空调系统分别在主要设备 投资、年运行费用、年管理费用等方面的计算分析比较表明，自然冷 能空调系统不管在主要设备投资方面，还是在年总支出费用方面都是 最低的，并且在冬夏季空调耗电量少，相对于常规空调系统，带来的 环境效益是非常明显的。 最后，针对鲤鱼江电厂河水自然冷能空调水系统夏季存在的排河 冷媒水余压尚偏高的问题，提出了几个合理的改进方案。 关键词：河水，自然冷能，空调系统，风机盘管，干工况 a b s t r a c t a sa ne n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t - p r o t e c t i n ga cs y s t e m ，t h e a cs y s t e mu t i l i z i n gn a t u r a lc o o lr e s o u r c ei sm u c hd i f f e r e n tf r o mt h e g e n e r a la cs y s t e m t h e r e f o r e ，f o rp o p u l a r i z i n gs u c ha na cs y s t e m , s a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt o a n a l y z e t h e c h a r a c t e r , d e s i g np r o c e s s ，o p e r a t i o ne f f e c t ，e c o n o m y p e r f o r m a n c ea n de n v i r o n m e n t b e n e f i to ft h ea cs y s t e mu t i l i z i n gn a t u r a l c o o lr e s o u r c eo f f i v e r - w a t e r f i r s to fa l l ，t h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h ea cs y s t e mu t i l i z i n g n a t u r a lc o o lr e s o u r c eo ff i v e r - w a t e ri si n t r o d u c e dd e t a i l e d ，t h a ti n c l u d e s t h ec h o i c eo fc o o la n dh e a tr e s o u r c e ，t h ew a t e rs y s t e m ，t h el o a d d i s t r i b u t i n gs c h e m e ，t h eb a s i ce q u i p m e n ta n do t h e ra c c e s s o r i a lp a r t so f t h ea cs y s t e m b ya n a l y z i n g ，i ti sk n o w nt h a tt h eo p e r a t i o ne f f e c to ft h e a cs y s t e mi sv e r yp e r f e c t b a s e do nt h ed r y - w e tw o r kc o n d i t i o nt h e o r y , ac o n v e n i e n tm e t h o d w h i c hi sf i tf o ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e ro ft h ef c u w o r k i n go nt h ed r yc o n d i t i o ni sp r o p o s e d b yu s i n gt h em e t h o d ，t h e i n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r eo fi n l e t - w a t e r , t h ed r y b u l ba n dw e ! t - b u l b t e m p e r a t u r eo f i n l e t a i rf o rt h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h ef c ui sa n a l y z e d ， a n dat h e r m a lp e r f o r m a n c ec u r v ew h i c hi sf o rt h ef c uw o r k i n go n m u t a t i v ec o n d i t i o ni se d u c e d t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h ef c uo f t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mb u i l ti nl i y u j i a n gp o w e rp l a n ta r ed o n e ，a n d c o o l i n gc a p a c i t yo ft h ef c ui so b t a i n e d t h ed e p e n d a b l ea c a d e m i c e v i d e n c ei sg i v e nf o rt h ed e s i g na n dc h o i c eo f t h ef c uo f t h en a t u r a lc o o l r e s o u r c ea cs y s t e m b ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt e m p e r a t u r ea n ds p e e d f i e l do ft h ei n d o o r - a i ro fa t y p i c a la p a r t m e n t i ti sk n o w nt h a tt h ea c s y s t e mu t i l i z i n gn a t u r a lc o o lr e s o u r c ec a nm e e tt h ed e m a n do fi n - d o o r t e m p e r a t u r ee v e l lt h eo u t - d o o ra i rt e m p e r a t u r ei su pt o3 5 。c ，t h e r e f o r e ， t h ea cs y s t e mu t i l i z i n gn a t u r a lc o o lr e s o u r c eo ff i v e r - w a t e ri sq u i t e f e a s i b l e b yc o m p a r i n gb e t w e e n t h ea c s y s t e mu t i l i z i n g n a t u r a lc o o l r e s o u r c ea n do t h e rg e n e r a la cs y s t e m s ，t h ef i r s ti n v e s t m e n to nm a i n e q u i p m e n t s ，y e a r - c o s to fo p e r a t i o na n dm a n a g i n go f t h ef o r m e ra r ef o u n d t ob em u c hl e s s a n di ti sv e r yo b v i o u st h a tt h ef o r m e rg i v e sg r e a tb e n e f i t t op r o t e c t i n ge n v i r o n m e n tb e c a u s eo fl e s se l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n a tl a s t ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tt h er e s i d u a lp r e s s u r eo ft h e d i s c h a r g i n gw a t e ri sh i g h e rf r o mt h ew a t e r - s y s t e mo f t h i sa i rc o n d i t i o n i n g i ns u m m e r , s e v e r a lr e a s o n a b l es c h e m ef o ri m p r o v i n gt h ew a t e rs y s t e ma r e p r o p o s e d k e yw o r d sr i v e r - w a t e r , n a t u r a lc o o lr e s o u r c e ，d r yc o n d i t i o n ，a i r c o n d i t i o ns y s t e m ，f a n - c o i lu n i t s m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 醐：如芦鲫号日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅。学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文。学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：佐猛导师签名：雠 日期：盟年上月型日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 自然冷能概述 第一章绪论 自然冷能( n a t u r a lc o o le n e r g y ) 的科学定义是：“常温环境中自然存在的低 温差低温热能”，简称“自然冷能”1 1 + 2 1 。地球上到处存在着温差能，如冬夏季节温 差能，昼夜温差能，土地与大气间的温差能，物体阴面与阳面的温差能，房屋的 内外温差能等，温差能的存在就意味着可用能的存在。由于大自然维持环境温度 的能力为无限大，而温差又无处不在，该能量的数量也为无限大，大量存在于土 壤、空气、江河湖泊及水库中，是一种潜在的、巨量的低品位能源。 我国大部分地区处于大陆性气候区，气温的昼夜变化与季节变化都很大，比 起低平原海洋气候区，自然冷能利用的潜力要大得多，并且利用成本相对较低， 利用过程又不会产生环境污染，因此自然冷能与风能、太阳能具有同样的经济价 值 3 1 。 我国商、周时代即有冬季储冰、夏季取用的自然冷能利用先例，而且一直延 续至今。1 9 3 3 年，在法国的实验室，研究人员在室温下利用3 0 温差推动小型 发动机发电，点亮了几个小灯泡，首次实证了自然温差能作为能源的可能性。6 0 年代，美国阿拉斯加输油管路利用寒冷的气候条件加强散热，防止基土融化下沉， 从而保证了管路系统的安全运行。受此启发，研究人员开始对自然冷能进行实用 化研究，1 9 8 6 年，经过约十年的试验研究，日本建成了世界上第一座热管换热 式、以自然冷能制冷的冷藏库，观测结果表明，库四周季节冻上层终年保持冻结 状态，达到了预期效果。我国于1 9 9 0 年建成利用自然冷能致冷的无能耗实验冷 藏库，用于农副产品贮存。 自然冷能作为一种洁净的、低品位的可再生能源，其使用价值是非常可观的， 目前，自然冷能通常用于以下几个方面： 1 ) 自然冷能空调 利用自然冷能直接供冷可以实现房屋的“无能耗空调”，与常规空调系统设施 投资相当，但运行时只需要消耗一些通风用电，所以耗电功率可以下降到常规空 调系统能耗的1 ，3 0 以下，能够大幅度节能1 4 1 。 和气温一样，地温也是不断周期变化的，但土壤的热容远大于空气，所以地 温变化幅度一般小于气温，并且在一定深度以下，土壤的温度常年变化不大。南 方3 米深处地温年变化约在1 1 1 9 范围内，七月份最低。夏季利用较低的地 温为室内降温，冬季则可以利用地温为室内增温。如果设计得当，吸热与放热基 中南大学硕士学位论文第一章绪论 本平衡，可以实现周年冷暖调温，调温电耗也可以下降到常规空调系统能耗的 1 3 0 以下。 另外，利用地热能的集中式热泵空调系统，比常规空调系统节能3 0 7 0 ， 如果我国空调全部采用这种方式，就可以消除电网的大部分高峰电力缺口。研究 人员指出嗍：如果全国7 0 n 6 的采暖、空调、降温能源为自然冷能，每年至少节省 1 亿吨标准煤，可以减少很大一部分能源缺口，温室气体排放及酸雨危害也将相 应减少。因此，随着节能和环保要求的提高，利用自然冷能进行居室调温将是制 冷空调未来发展的一个重要趋势。 2 ) 无能耗冷藏 无能耗冷藏库，通常被称为自然冷能冷库，是指利用自然冷能作为能源降温 的冷藏库。冷藏库的形成通常是在冬季采取人为措施强迫土中热量向大气中散 发，同时减少逆向传回地下的量，使上层土壤充分降温冻结，因此在夏季高温时， 库内温度仍可以保持在o c 附近。 自然冷能冷库在水果、蔬菜、肉类等食品冷冻保鲜方面应用非常广泛 6 4 1 。 随着生活水平的提高，人们对新鲜果蔬的品种、品质和数量都提出了更高的要求， 由于人们对化学合成保鲜剂的食品安全问题产生疑虑，使得果蔬、肉类等食品的 贮藏保鲜更注重于物理方式，并且越来越向保证食品的天然品质、食用安全、方 便、低能耗贮藏方向发展。因此，自然冷能贮藏等物理保鲜方式正逐步得到人们 的承认和重视。 3 ) 自然冷能淡化海水 与淡水相比，苦、咸水矿化度非常高，因此通常难以直接利用，但只要太阳 能足够丰富，加上白昼气温商、晚问气温低的特点，就可以利用自然冷能进行苦、 咸水的淡化。沙漠地带往往含有丰富的苦、咸水，因此，在沙丘中修建类似于无 能耗冷藏库那样的大型冷凝器，以沙土作为蓄能介质，在夜间低温期就可以蓄存 冷能。白天利用太阳的辐射热及高气温使苦、威水蒸发，将水蒸汽引入冷凝器中， 水蒸汽通过冷凝后就可以变成蒸馏水；夜间气温降低后，冷凝器周围沙中热量传 给大气。冷凝器重新又具备冷凝水蒸汽的能力，如此周而复始、连续不断，利用 自然冷能便可以实现苦、咸水的“无能耗”提纯。另外，由于南沙群岛运水代价极 高，淡水不足带来极大困难，利用太阳光热、气温与海水间的温差，也可以实现 海水的“无能耗”淡化。 4 ) 自然冷能发电 赤道附近海水的表面温度往往达到3 0 左右，然而在海水5 0 0 1 0 0 0 m 深处 水温仅为4 7 ，利用此温差可以推动氦或二氧化硫等特殊工质的发电机发电 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 m q 。从1 9 2 6 年法国科学家建立起第一个实验电站开始，世界上已经有多座这种 以海水温差能为能源的电站。有关专家指出【1 1 1 ：如果南纬2 0 度到北纬2 0 度之间 一半的海面用来发电，仅使表面海水温度下降l 所能获得的能源就为6 0 0 亿千 瓦，相当于目前全世界发电能力之和。 随着自然冷能在不同领域的利用以及技术的不断发展，它将成为真正意义上 的能源，在经济性上将很快超过太阳能和风能。随着社会科学技术的发展和人们 对节能和环保的重视，自然冷能可望在国家能源结构中成为占据很大比例的新型 洁净能源【1 2 ”l 。 1 2 自然冷能空调系统 1 2 1 自然冷能空调系统分类 自然冷能空调系统按供冷原理可分为： 1 ) 热泵式自然冷能空调系统。这类空调系统主要包括空气源热泵、水源热 泵、地源热泵、太阳能热泵等。该类系统以含有大量自然冷能的空气、水和土壤 等为冷热源，通过主机的制冷循环作用把自然冷( 热) 能输送给空调房问。图 1 1 为地源热泵空调系统原理图。 ( a ) 夏季( b ) 冬季 图l - i 地源热泵空调系统原理图 9 0 年代初开始，空气源热泵机组在许多地区，尤其在一些冬冷夏热地区得 到了厂泛的应用。目前，在许多城市，空气源热泵机组在中央空调系统中的比例 已占到2 0 3 0 i “l ，而且其应用范围有着进一步扩大的趋势。但是，空气源热泵 冬季供热运行时，最大的一个问题就是当室外气温较低时，室外侧换热器翅片表 中南大学硕士学位论文第一章绪论 面容易结霜，从而导致热泵制热性能下降，为了解决空气源热泵冬季除霜的问题， 许多研究人员在除霜方式方面作了不少研究。目前，除霜方法通常有电加热除霜 法、热气除霜法、换向法、热水除霜法、热媒回串化霜法等1 1 5 6 1 。 虽然空气源热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在冬季制热时结 霜、除霜等问题，并且热泵供热效率会随着室外气温的降低而降低，而水源热泵 弥补了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。海 水、河水、地下( 表) 水及工厂、发电厂等工业废水都可以作为水源热泵的水源， 利用这些低品位能源作为采暖、空调的热源，是一种既节能又环保的空调方式1 ”。 地源热泵技术1 i s ，l 卵是利用土壤相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低 品位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转 移到低品位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可 以取代锅炉或市政管网等传统的供暖或中央空调系统，由于其节能、环保、热稳 定等特点，引起了世界各国的重视。 总之，热泵技术是回收和利用低品位能的有效手段之一，随着热泵及其各种 驱动装置的研制和热泵系统的试验研究工作的开展，热泵技术将在我国得到广泛 的应用，在节能工作中发挥其应有的价值。 2 ) 直接供冷自然冷能空调系统。这类空调系统主要包括地下水、井水、河 水自然冷能空调系统。此类系统不需要制冷主机，利用水泵把处理后的地表水、 地下水直接供给末端设备进行供冷，通常被称为无能耗自然冷能空调刚，如图 1 - 2 所示。 地 下 承 井 图1 2 直接供冷家用空调系统图 由于低温地表水、地下水等具有温度低且终年变化不大的特点，与人工制冷 诸如氟利昂制冷、溴化锂吸收式制冷等相比要经济得多，因此在低温地表水或地 下水源较丰富的地区，有不少工厂及一些大型的公共建筑，如纺织厂、电影院等 都采用这种方式。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 当前，有些工厂是利用地下水喷淋室处理空气来达到升温与降温的目的，在 喷淋室中向空气喷入不同温度的水，可以实现空气的加热、冷却、加湿和减湿等 多种空气处理过程，从而使车间中空气的温度和湿度符合生产工艺的要求，但是 这种空调存在许多诸如对水质要求较高、占地面积大、水系统复杂等方面的缺点 口”，导致这种系统在应用上受到了很大的限制。然而，直接供冷自然冷能空调系 统不仅继承了喷水室的大部分优点，同时还弥补了喷水室在应用方面的局限性， 因此，该类空调系统是继压缩式、溴化锂吸收式空调后又一种新型的、节能环保 型的空调系统。 此类系统有如下特点1 2 2 1 ： ( 1 ) 耗电量少，通常为常规空调系统的2 5 3 5 ： ( 2 ) 投资低，为满足同样负荷的其他常规空调系统的3 5 6 5 ； ( 3 ) 不需要制冷剂，因此不会污染环境： ( 4 ) 结构相对简单，使用维修方便； ( 5 ) 作为舒适性空调，可保持室内温度在2 5 2 8 c 之间，基本上能满足舒 适性要求。 1 2 2 自然冷能空调系统的研究 自然冷能空调系统是以低品位自然冷能作为能源达到供冷供热的目的，有着 节能环保的特点，因此，研究自然冷能空调系统的特性、运行性能、节能效果等 是非常有意义的。 国内关于自然冷能在冬夏季空调系统中的应用研究多数集中在可行性方面。 中国科学院兰州冰川冻土研究所张津生、傅蓉1 2 3 , 2 4 1 等研究员在自然冷能空调方面 作了大量的研究与调查，他们认为利用自然冷能完全可以实现房屋的“无能耗空 调”，与普通空调设施投资相当，但运转时只需要消耗一些通风用电，所以耗电 功率可以下降到常规空调系统能耗的1 3 0 以下，能够大幅度节能。哈尔滨建筑 工程学院陈育伟【2 5 】对寒冷地区程控机房利用自然冷源空调节能的问题进行了探 讨，并对几种不同的自然冷源空调节能情况及具体参数进行了分析比较。黑龙江 省科学技术情报研究所赵作审1 3 提出对黑龙江省自然冷能利用技术开发包括无 能耗冷储、散热储存、蓄冷空调等多个方面。沈阳建筑大学高福彬1 2 6 1 经现场实验 和计算，得知地下水直接供冷自然冷能空调系统的主要设备投资和运行费用分别 为地下水水源热泵空调系统的3 2 币1 15 9 0 , 4 左右，从而证实了该类空调系统节能 效果非常明显。 关于自然冷能空调系统的效果研究，南京工业大学彭扬华2 7 1 设想利用井水和 散热片系统来降低居室温度，以达到节能和节省空调运行费用的目的。为验证系 中南大学硕士学位论文第一章绪论 统的实际效果，建了两座一样的试验房和对比房，通过历时3 年的试验和改进， 最后得出：利用井水和散热片系统降温有非常理想的效果。同济大学李芳芹【2 | 】 分析了地下水自然冷能空调系统实际使用效果及其经济效益，得出：即使室外温 度达到3 5 ，采用地下水空调系统也可以使房间温度保持在2 5 2 8 之间，足 以满足舒适性空调要求。 国外学者对热泵式自然冷能空调系统研究较多，i b r a h i md i n c e r t ” 等人对河 水、海水等自然冷能的利用进行了研究探讨，认为热泵式自然冷能空调系统比热 化电站、区域锅炉房集中供热可节能2 0 3 0 ，提出利用河水作为热泵热源进行 区域供热的方案，并从宏观角度分析了水源热泵系统的应用的价值与前景。o z e r k a r a 等例、o n d e ro z g e n e r 等口1 1 分析了地下水与太阳能相结合的自然冷能热泵的 性能。m u s t a f ao m e r e 3 2 1 通过对地源热泵系统与传统空调系统在技术性能和经济 性能方面进行的对比，显示了地源热泵的特点，并通过对工程运行的实测，验证 了地源热泵的突出效果，并得出：地源热泵比传统空调系统具有明显的优势，是 今后发展潜力较大的空调技术之一。 此外国内外不少空调厂家已经研究并生产了自然冷能空调，并且该技术也逐 渐变得成熟。青岛太阳风环境能源有限公司就开发了多种自然冷能空调产品，如 自然冷热能蓄能空调，自然冷能蓄冰恒温冷库等。 综上所述，目前国内外不少研究人员以及空调设计人员置身于自然冷能空调 系统可行性、节能效果等方面的研究，但对于以河水或井水作为冷媒水进行直接 供冷的自然冷能空调系统的研究不是很多，这主要是找不到一个具体的案例作为 研究对象。因此，本文以一个已经投入运行的河水自然冷能空调系统为研究对象， 详细地介绍并分析它存在的来源、运行特点、经济性及节能效果，并对它运行中 存在的某些问题提出一些合理的解决方案。 1 3 非标准工况风机盘管的研究 一般情况下，受制冷主机的影响及保证空调系统的整体经济效益，提倡盘管 进口水温为7 c 左右，然而对于以自然河水或井水作为冷源的空调系统，盘管进 水温度一般较高( 1 4 左右) ，因此盘管为非标准工况运行。风机盘管在非标准 工况下运行时，其运行性能参数如制冷量将会受到影响。目前，大多数空调设备 厂家是通过现场试验测试来确定非标准工况下末端设备的运行性能参数的。 随着直接供冷自然冷能系统的应用和发展，对于非标准工况下风机盘管运行 的理论研究越来越受到重视，广州大学万建武p 4 筇1 就非标准工况风机盘管空调加 独立新风系统末端风机盘管的冷水进水温度的确定方法进行了研究，导出了非标 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 准工况末端盘管冷水进水温度的计算公式。天津大学孙琳、朱能鄞7 】等结合实例 确定出合理的空调室内计算参数，并对风机盘管加新风系统从湿工况改造为干工 况进行了能耗分析。 目前，关于风机盘管非标准工况的理论研究通常有以下两种方法嘲： 1 ) 全冷量焓效率法 全冷量焓效率法指湿冷工况下流经盘管的风量和水量为某一确定定值时，风 机盘管的全冷量q b - i 以用全冷量效率占和流经盘管前后的空气焓、屯来简单表 示，即：q = g 6 ，( - i ：) 。全冷量效率占，与空气流量和水流量有关，不同厂家的 产品由于产品结构参数不同，其全冷量效率g ，也不同。 汕头市建筑设计院成通宝例利用全冷量焓效率理论计算式并结合现场实验 测试对风机盘管进行了计算分析，但是只给出了盘管在部分工况下运行的性能曲 线。 2 ) 显冷量效率法 显冷量效率法是指湿冷工况下流经盘管的风量和水量为某一确定定值时，风 机盘管的显冷量q 可以用显冷量效率占，和流经盘管前后的空气干球温度t 。、t ：来 简单表示，即：q = g e b “- t ：) 。同样，显冷量效率也不是一个定值，因厂家 产品性能的不同而不同。 安阳大学王曙光、赵成刚利用显冷量效率法对非标准工况下风机盘管、柜 式空调箱的选型作了分析计算。厦门大学蔡文庆m 利用显冷量效率法总结出了风 机盘管冷量随进风湿球温度和进水温度的变化规律，指出当湿球温度的升高或进 水温度的降低时，风机盘管制冷量将增大。 总而言之，对于非标准工况下风机盘管性能的分析，许多学者通常只是定性 的分析了风机盘管制冷量受湿球温度和进水温度的影响，其受影响的程度并未作 详细计算，加上分析过程中引入了不少经验公式以及实验数据，计算过程非常繁 琐且带来了不少误差。因此，有必要提出一种简便且准确性高的计算方法来定量 分析非标准工况下风机盘管的特性，为非标准工况风机盘管的设计和选型提供可 靠的理论依据。 1 4 研究内容和意义 目前，国内外大部分空调设备除了利用电能，还有一部分是利用燃料燃烧产 生的热能作为驱动能源，这些能源的利用将同时会带来环境的污染，所以低品位 能源或可再生自然能源的利用，既降低了能源的消耗，同时又减少了环境的污染。 本文所涉及的河水自然冷能属于可再生能源中的温差能。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 河水自然冷能空调直接利用河水制冷，不设制冷主机。而目前常用的制冷方 法有电驱动制冷和溴化锂吸收式制冷，电驱动制冷除消耗大量电能外，制冷剂的 泄漏还会对臭氧层造成破坏；而溴化锂吸收式制冷则要消耗大量热能，必然造成 有害气体和温室气体的排放。采用河水自然冷能直接供冷，不但节约了大量常规 能源，而且还减少了环境污染，具有巨大的经济效益和环境效益。但是，这类空 调系统的使用还处于初步阶段，空调系统的设计和运行既有成功的地方，也存在 不少问题，因此，分析河水自然冷能空调的特点、设计及运行性能，对推广河( 井) 水自然冷能空调、节约能源和保护环境具有重要意义。 本论文研究思路：首先以鲤鱼江电厂河水自然空调系统为研究对象分析其特 点及性能等，鉴于该系统风机盘管进水温度偏高的特点，接着对此系统风机盘管 的设计和运行特点进行分析，并分析自然冷能空调风机盘管在此进水温度下的实 际运行效果，然后将该系统与另外两种空调系统进行对比，分析它的经济性和环 境效益，最后对该系统当前存在的某些问题进行改进。本论文研究思路框架图如 下所示： 图l - 3 研究思璐框架图 因此，本论文的研究内容主要分为三方面： 1 ) 河水自然冷能空调系统的特性研究：主要研究河水自然冷能空调的性能 和运行效果，并分析空调系统的经济性及环境效益。 2 ) 河水自然冷能空调风机盘管设计和运行特性研究：对非标准工况下风机 盘管设计和运行特点进行计算和分析； 3 ) 河水自然冷能空调水系统研究：对空调供回水管道的阻力损失进行验证 计算，对该空调水系统当前存在排水余压过大的问题进行改进和优化，以达到系 统更加节能的目的。 8 中南大学硕士学位论文 第二章河水自然冷能空调系统 第二章河水自然冷能空调系统 本章将对鲤鱼江电厂河水自然冷能空调系统进行详细的介绍和讨论，首先将 分析该系统存在的来源，接着介绍该空调系统冷热源的选择、空调水系统、负荷 分配方案、空调主机及配套设备等总体设计方案及运行节能效果。 2 1 河水自然冷能空调系统的来源 众所周知，海面受太阳能照射，温度得到一定升高，而海洋深处的水温往往 比海面的水的温度要低。在白天，海水的垂向温度差可达2 0 左右。人们一直在 努力研究如何利用蕴藏在海洋中的巨大自然冷能，并且研究已经取得了很大的突 破，海水温差发电就是一种利用不同深度的海水温差来发电的技术，并且该项技 术已逐渐成熟。与海洋自然冷能相似，大型的深水水库的温度也是沿垂向变化很 大的，我们将这类水库称为温度分层型水库。由于受土壤的影响，水库深处的水 温度一般不随季节的变化而变化，而水库表面的水受太阳的辐射热作用，温度随 时间和季节变化而变化。研究表明1 4 2 - 4 4 1 ：大型深水水库的表层水温与深度在3 0 r e 或5 0 m 以下的水温相差可达2 0 c 左右，存在较大的自然冷能温差能。因为深 水高堤坝式水电厂水库的排水闸口都是位于水库较深处，水库所排的水就是深处 的低温水，于是可以推断，深水水库下游的河水含有可用的温差能。 湖南省郴州市的东江水库1 4 5 , 4 6 j 排水闸位于水深约5 0 m 处，排水最高温度为 1 4 4 c ( 1 0 月份) ，最低温度为1 1 8 c ( 6 月份) 。受东江水库影响，下游的东江河、 鲤鱼江几十里河水水温终年变化不大，常年水温维持在1 3 1 8 ，夏季水温维持 在1 3 1 5 的时间居多，给自然冷能空调系统提供了很好的冷热源。 2 2 鲤鱼江电厂河水自然冷能空调系统 2 2 1 系统概述 鲤鱼江电厂位于湖南省郴州市境内东江水库下游鲤鱼江旁，因受东江水库排 水影响，河水常年水温维持在1 3 1 8 ，夏季水温维持在1 3 1 5 c ，当室内空调 设计温度为2 6 1 2 时，河水可用温差大于l o c ，由此可见，河水自然冷能的利用价 值非常可观。发电厂本是能源充足之地，但该厂领导为了提高电厂效益，降低工 厂用电，决定采用河水直接对全厂生活区供冷，于是就出现了国内首家河水自然 冷能空调系统1 4 7 , 4 1 1 1 。 9 中南大学硕士学位论文第二章河水自然冷能空调系统 鲤鱼江电厂自然冷能空调系统是由本厂自行设计的，该自然冷能空调系统的 受益范围为全厂生活区和公共区( 包括1 2 3 6 套家属住房和厂办公楼、幼儿园及单 身公寓等) ，设计总冷负荷为3 2 7 0 k w ，总热负荷为2 3 0 0 k w 。设计人员充分认识 到了河水的可利用自然冷能，通过现场测试、试验和计算，确定了夏季利用河水 作为冷媒直接对全厂生活区和公共区进行供冷的方案，而冬季抽取本厂汽轮机部 分蒸汽加热河水进行供热，并考虑了家用热水系统。该空调系统于1 9 9 7 年底开始 设计，1 9 9 9 年底安装调试完毕，2 0 0 0 年5 月正式投入使用，系统稳定运行几年来， 各项指标均达到了设计要求，节能效果非常明显。 2 2 2 冷热源的选择 鲤鱼江电厂位于鲤鱼江河旁，有丰富的河水资源可利用，因此夏季以河水作 为该空调系统的冷媒水是很容易实现的，冬季则可利用该厂发电所用的蒸汽对河 水加热达到供热目的。 1 ) 冷源：本空调系统采用的冷源为东江下游鲤鱼江河水，水源取自电厂循 环水进水。因为该厂的循环水有很大的富裕量( 超过1 5 0 0 m 3 h ) ，在大部分运行 方式下，毋需增加循环水泵的开泵容量，即可达到制冷取水的要求。 2 ) 热源：系统采用该厂# 7 、# 8 汽轮机一段抽汽对河水进行加热，达到冬 季供热目的。汽一水热交换器设计出水温度为6 0 ，从运行效果显示，系统热源 选取和设计是合理的。 2 2 3 空调水系统 鲤鱼江电厂自然冷能空调水系统流程图如图2 1 所示： ! i i 厂一一一瞪鳓驯隧嫩f | i 图2 - 1 鲤鱼江电厂自然冷能空调水系统流程图 空调系统夏季供冷时采用开式系统，一次水泵抽上的低温河水经过初效过滤 后除一部分作为厂区生活水的原水外，其余作为空调冷媒水使用，并且供冷后的 河水直接排入东江河，不再循环使用；冬季则采用闭式循环系统，储水罐里的循 1 0 中南大学硕士学位论文第二章河水自然冷能空调系统 环水通过高温蒸汽加热送入各用户，供热后经过总回水干管回到储水罐吸热继续 循环供热，如图2 - l 虚线部分所示。 2 2 4 冷热负荷分配方案 在进行房间冷热负荷计算时，设计人员根据本厂住房的建筑围护结构的实际 情况，进行了反复测试和计算，最后确定了办公室和生活区各不同类型和面积的 住房的冷热负荷量，各级别负荷和总负荷计算分配见表2 1 ： 表2 - 1 鲤鱼江电厂负荷分配表 说明：1 计算以东边户型结构为准； 2 计算按室内温度为2 7 ( 2 室外温度为3 6 进行o 3 计算是静态的，即不考虑人进出时所带的热量，同时考虑相邻住户的空调都是开着的，因而忽略 期问的相互传热。 2 2 5 空调设备的配置 2 2 5 1 机房设备 根据冷热负荷要求，冬季选用了换热量为1 7 0 0 k w ，储水量为3 m 3 的容积式 中南大学硕士学位论文第二章河水自然冷能空调系统 换热器2 台，夏季冷媒水输送选用水量为4 0 0 m ，扬程为o 5 m p a 的水泵4 台 ( 3 用l 备) ，河水除污选用水量为4 2 0 m 3 h ，储水量为1 5 m 3 的过滤器2 台。空 调系统设备参数如表2 - 2 所示： 表2 - 2 空调系统主要设备 2 2 5 2 末端设备 在选择空调系统末端设备时，设计人员是根据现场测试和估算来选取的。因 为一股厂家提供的风机盘管的额定制冷量的工作条件是干球温度为2 7 ，湿球温 度为1 9 5 0 c ，进水温度为7 时的数据。而该空调系统采用河水自然冷能供冷， 风机盘管进水温度为1 4 5 。设计人员针对厂家提供的样机进行了现场测试和计 算，确定了选取末端装置方案：即进水温度为1 4 5 时，盘管的实际制冷量约为 标准工况下制冷量的5 0 左右，因此风机盘管按5 0 的额定制冷量来选择。可见， 风机盘管的选择带有许多经验因素，为保证空调效果和节约成本，选择了流量为 手动调节的风机盘管。 空调系统采用的各种型号风机盘管总量统计如表2 3 所示： 表2 - 3 风机盘管数量统计 2 3 自然冷能空调系统的节能特点 2 3 1 自然冷能直接供冷 鲤鱼江电厂自然冷能空调系统采用河水自然冷能直接进行大面积的供冷，不 设制冷主机，这种情况在我国是首例。水库排水的自然温差能是可再生能源，对 其开发利用符合循环经济和可持续发展的规律，用能理念值得研究和推广。 中南大学硕士学位论文 第二章河水自然冷能空调系统 2 3 2 节能环保效果显著 鲤鱼江电厂自然冷能空调系统未设制冷主机，初投资低，与普通的同规模中 央空调系统相比，主要设备投资节约超过1 6 0 万元。因为常规中央空调系统的制 冷主机是系统的主要耗能部件，所以，不设制冷主机，每年节约运行费用在9 0 万元以上。此外，采用自然冷能供冷，节约了大量常规能源，减少了能源消耗带 来的环境污染，因此，该空调系统属绿色节能空调范畴。 2 4 鲤鱼江河水自然冷能空调系统存在的问题 2 4 1 末端设备选择理论依据不足 河水自然冷能空调系统风机盘管进水温度为1 4 5 ，而一般手册和厂家的风 机盘管额定制冷量为进水温度为7 1 2 的值，该系统设计时采取了现场测试和估算 的方法，选取的末端设备是采用手动调节流量的，虽然系统投入运行后达到了预 期的供冷效果，但在末端设备设计和选取的过程中，经验因素太多，缺乏可靠的 理论依据。为了推广自然冷能空调系统，节约常规能源和保护环境，有必要对进 水温度较高的河水自然冷能空调系统风机盘管的设计选型进行研究，探索其设计 规律、计算方法以及进一步提高能效的途径。 2 4 2 制冷排河水余压偏大 在鲤鱼江电厂自然冷能空调系统的设计过程中，设计人员为了保证其水系统 有足够的压力去克服管网设备中的阻力损失和水提升的静水压力，水泵的扬程选 得偏大，这不但使得系统中的冷媒水流速过快，降低设备及管道的使用寿命，而 且经过供冷后直接排河的冷媒水的余压还很大，浪费了许多能源。水系统的压力 设计不合理使得水泵实际运行工作点严重偏离其最佳运行工作点，导致水泵效率 降低、电耗增大，严重时还可能导致水系统失调。多年来，这个问题一直困扰着 该空调系统维护管理人员，希望能找到合理的改进措施。 2 5 本章小结 通过对全国首例河水自然冷能空调系统的分析，可得出如下结论： 1 ) 该空调系统不设制冷主机，属于绿色节能空调，而水系统采用了开式和 闭式相结合的方式，系统布置比较简单； 2 ) 相对于常规中央空调系统，低温水自然冷能空调系统末端设备的供水温 度较高，通常为1 3 1 5 c ，所以风机盘管的制冷量已经偏离了标准工况太多，虽 中南大学硕+ 学位论文 第二章河水自然冷能空调系统 然依靠现场测试选取的末端设备达到了预期的效果，但经验因素太多，需要进一 步研究； 3 ) 空调水系统设计时，选取的水泵的参数偏大，导致系统排河水余压过大， 有必要进行水系统的验算和改进，以达到系统更加节能的目的。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章河水自然冷能空调系统风机盘管的设计 第三章河水自然冷能空调系统风机盘管的设计 常规空调系统风机盘管的设计工况一般为标准工况，而河水自然冷能空调系 统风机盘管的进水温度为1 4 5 ，甚至更高。针对自然冷能空调系统风机盘管的 进水温度偏高的特点，本章将对非标准工况风机盘管的工作原理、热力特性进行 理论研究，并对风机盘管的设计和选型进行验算，旨在为河水自然冷能空调的设 计提供可靠的理论依据。 3 1 非标准工况风机盘管 当前生产厂标明风机盘管的制冷量都是在以下工况给出的： 1 ) 盘管供回水：供水温度7 ，回水温度1 2 ； 2 ) 处理空气的初状态：千球温度2 7 ，湿球温度1 9 5 。 上述工况被认为各生产厂提供风机盘管制冷量的统一数据，称为标准工况， 同时生产厂的样本中还提供了风机盘管的排数、迎风面积、使用压力等构造特性。 当空调房间要求的室内参数( 风机盘管入口的空气状态) 和供水温度发生变化时， 风机盘管的制冷量也将发生变化。 t 图3 - 1 标准与非标准工况下空气焓湿图 如图3 1 所示，标准工况下，点l 经风机盘管处理后到达点2 ，若g 为风机盘 管的送风量，则风机盘管的制冷量q 0 为： q o = 1 2 g ( i l 一如) ( 3 一1 ) 式中，q o 为标准工况下风机盘管的制冷量，k w ：g 为风机盘管的风量，n 1 3 胍 为初状态空气的焓值，k j k g ：如为终状态空气的焓值，k j k g 。 一般来说，风机盘管制冷量是从生产厂试验台上得到的，现在的问题是，若 中南大学硕士学位论文第三章河水自然冷能空调系统风机盘管的设计 处理的空气初始状态变为1 或盘管迸水温度变为匕，如何计算风机盘管的制冷 量? 目前生产厂提供的产品样本确实载有几种不同空气初始状态及进水温度的 制冷量，这些数据都是在一定的假设条件下采用传统繁琐的理论公式换算得到， 或者各生产厂彼此参考借用得到，即使如此，也只限在一定范围。例如实际工程 中要求室内的干球温度为2 3 甚至2 2 ( 相对湿度伊= 6 0 ) 时，有关数据就无 法从样本上查到了。因此，有必要找出一种较简便的方法来计算风机盘管在处理 不同空气状态下的制冷量。 3 2 干湿工况基本理论 3 2 1 千湿工况等价法 对于风量、水量、进水温度相同的同一型号风机盘管的工况而言，如果某一 千工况的进风焓值与某一湿工况的进风焓值相等，而且它们的出风焓值和接触系 数也相等，称这个干工况为该湿工况的等价干工况1 4 9 4 ”。 、 落 矽 3 图3 - 2 湿工况下空气焓湿图 如图3 2 所示，l 为被处理空气的初状态，2 为空气通过风机盘管处理后的终 状态，l 、2 两点的连线表示空气处理过程的状态变化过程线，与饱和相对湿度线 相交于点3 ( 在理想条件下即接触时间非常充分情况下，3 也可以表示空气所能达 到的终状态) 5 2 1 。 在湿工况l - 2 - 3 中，风机盘管的热交换效率系数毛和接触系数岛为 3 8 1 ： t 一 晶= 卫生( 3 2 ) t t f 占，；生量：1 一致( 3 3 ) 一t 3一1 式中，0 。为风机盘管进水温度，： 、