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“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=KAT （1）式中：Q换热量，kW；K传热系数，kW（/m2)；A传热面积，m2；T空气与水的对数平均温差，。T=（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错误的。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K不是恒定的系数。当表冷器内水流量下降 30% 时，雷诺数可以从9 000 13 000下降到4 000 6 000，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降低到 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。在低温低流下冷量的增加也得益于表冷器盘管内的扰流形成。通常,流量减少会使流体在管内的扰动减少,管内流动从扰流变向层流变化,这时,在管内的扰流器设计会使水流增加扰动,增加换热系数。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。2.3 冷水机组我们知道，水温高低对冷水机组的效率有很大影响，冷水机组冷冻水出水温度越低，冷水机组效率越差。对于冷冻水温在5 10，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4 5之间。对于采用满液式蒸发器的机组，当冷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/s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。冷水机组冷却水出水温度的变化对冷水机组效率的影响要比冷冻水小。当冷却水出水温度在 3039范围内时，出水温度每升高 1，冷水机组效率下降 2%3%。多数离心机在水温超过 40时，效率下降得很快。值得注意的是，冷却水出水温度升高对冷却塔散热有利，因为冷却塔进水温度提高，有助于加大冷却塔进出风的焓差，从而可以降低冷却塔风机的功率。这一特点对于高湿度地区的空调系统更有利用价值。2.4 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次方成反比关系。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%，当水管路不变时，水泵的扬程可以按压降与流量成二次方关系选型。（实际上，系统水压降与水流量并不是精确的二次方关系，而是在 1.7 左右。）所以，对于将5温差系统改造为大温差时，水泵扬程下降的幅度很大。对于新建项目，在水管径选型设计时，通常会基本保持水管道经济摩阻而减小管径。所以，当设计水流量减少时，我们会倾向于减小管径、节省管道初投资。这样一来，水泵扬程下降的幅度就小。2.5 全年负荷特点建筑的负荷特性对大温差系统的适用性及节能性也有一定的影响。大温差系统设计功率可能略大，部分负荷时功率减小，所以大温差是依赖部分工况节能的，部分负荷的运行时间的长短和大小决定了节能的多少。如果系统负荷多为室内发热且比较恒定，则采用降低水温拉大温差的作法，节能效果可能比较小，甚至是不节能，如某些工艺用房；然而，对于商场和一些综合建筑则存在节能意义。尽管多数情况下，在新建工程设计时不容易获得负荷分布特性，我们做设计时应尽量与建设单位沟通，或调查同类项目的运行特点，来获得这方面的数据。所以，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。大温差系统的输配系统是关键，它的设计正确与否直接关系到整个系统设计是否合理、运行是否节能。而输配系统的核心是良好的调节机制。因为空调系统的设计是按照当地气候条件最不利的前提下，进行负荷计算、机组选型、水系统设计等。但是，运行情况与设计情况相差很大。而调节的重点是两方面：一方面是管网随着末端用户负荷变化而变化，另一方面是冷源系统随着管网负荷变化而变化。其中前者是后者的基础。第一，管网系统按末端负荷变化而调节。调节思想就是保持温差不变，改变冷水流量来满足末端负荷变化。调节办法是：末端利用温度传感器来感应空调区域的温度，当温度低于设定值时，调剂末端换热器水管上的电动二通阀，减少循环水量。输配管网系统利用变频水泵进行水量调节，而水泵的变频器根据温差因素进行调节。特别是，在某些供冷半径较大的工程中，例如区域供冷中，仅仅利用温差调节水泵变频器是不够的，因为供冷半径大造成的温差传递在时间上的滞后性，还需要设置压力传感器。用压力和温度组成串联控制，其中温差是主调节因素，压力是副调节因素。第二，管网系统变化与冷源系统调节匹配。调节思想是当水量降低到一定水平后关闭几台冷水机组。当水量将到较低水平时，应考虑较少冷量。因为水泵的变频限制和水泵可能产生喘振，水量不宜过低。同时水量较低也反映出末端冷负荷减少。此外，关掉一台冷水机组的同时，还应关掉与之相应的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔。3总结1. 对于大温差技术的设计不能为了用而用，否则本意想节能，实则浪费能源。前几年很多人宣传应用大温差系统，近来又有人反对应用大温差。其实，大温差技术同其他一些节能技术一样，关键在于在合适的地方、合理地使用节能技术，这样才能获得节能效益。2.送风状态点和表冷器是决定水温的关键因素。所以，设计时遵循先确定送风状态点，再选表冷器，最后选冷水机组方案设计流程。