ARI空调工况与中国空调工况的差异对水冷冷水机组满负荷效率的影响.doc

暖通空调 HV&AC 技术交流园地 71 ARI空调工况与中国空调工况的差异对水冷冷水机组满负荷效率的影响联合开利（上海）空调有限公司 卫宇摘要 比较了ARI标准空调工况与中国名义空调工况的差异，从制冷循环和传热的角度分析了工况差异对蒸气压缩式水冷冷水机组满负荷效率的影响。指出选用冷水机组时必须重视工况不同对冷水机组性能产生的影响，考虑并满足中国气候和水质条件的要求，以保证机组长期高效可靠运行。关键词 ARI标准 空调工况 水冷冷水机组 压缩式制冷 满负荷效率0 引言 活塞式、螺杆式、离心式三大类蒸气压缩式（电驱动）冷水机组在中央空调系统中得到了广泛的应用，十余年来，在进口蒸气压缩式冷水机组的同时，我国相关企业不断从欧美等发达国家引进、消化、吸收、改进冷水机组的设计、制造和测试技术，使我国冷水机组的制造水平得到了显著提高。但在大量的实际应用中，不断有用户提出：许多进口的冷水机组在应用35年后，制冷量有所下降，功耗明显上升，或是机组经常出现冷凝高压报警或故障停机等等。上述情况中除个别为应用不良或保养不当外，反映出一个普遍的问题即许多的进口冷水机组的型号并不适合中国的实际应用要求，其核心问题是国外冷水机组的标准工况并未考虑中国的具体应用条件的要求。现在许多专家、设计人员已意识到这一问题，但对冷水机组工况标准差异造成性能差别的定量分析尚需进一步了解。本文重点以美国ARI（美国空调制冷协会）空调工况与中国名义空调工况差异对水冷冷水机组满负荷效率造成的差别进行计算比较，指出在冷水机组选型中必须重视工况差异对机组长期高效可靠运行带来的影响。1 美国ARI工况与中国空调工况的差异1.1 美国ARI工况及其变化美国空调制冷协会（ARI）是北美地区暖通空调设备制造商组成的行业组织，工作重点之一是针对暖通空调设备制定一系列标准，其标准在世界范围内具有相当的权威性和影响力。但不可忽视的是美国空调制冷协会（ARI）服务区域主要是北美,尤其是美国经济相对较为发达的东海岸及其北部地区,例如ARI550-92离心式和螺杆式冷水机组标准中分析估算建筑负荷变化所用的地区便是美国供暖制冷空调工程师学会（ASHARE）总部所在地美国佐治亚洲的亚特兰大。不了解美国ARI标准体系所面向的应用区域,往往会误解ARI标准就是国际范围内均可应用的标准,事实上日本标准化委员会就面向日本的实际应用需要制定了整套的日本JIS工业标准,欧洲也有独立的EUROVENT标准体系。由于近20年来大量的冷水机组进入我国得到应用,使ARI550，590等冷水机组标准被知晓,似乎这些标准代表着国际最高水平的技术要求,许多招标文件中,尤其在我国开放相对较早的南方地区,指明按ARI空调工况选择机组,但许多用户恰恰不知道ARI空调工况最不适用的区域就在我国南方。美国空调制冷协会对其ARI标准工况不断进行着修改,见表1。从表1中可看出，ARI水冷机组空调工况的进出水温度没有变化,水侧污垢系数有不断降低的趋势, 在92版中水侧污垢系数均为0.044 m2/KW，1999年初发布的ARI550/590标准中冷冻水侧污垢系数降至0.018 m2KW。 表1 冷水机组ARI标准空调工况的变化标准版本ARI550-83ARI550-92ARI550/590-1998ARI590-81ARI590-92冷冻水进出水温度6.7/12.3冷却水进出水温度29.4/35冷冻水侧污垢系数0.086m2/KW0.044 m2/KW0.018 m2/KW冷却水侧污垢系数0.086 m2/KW0.044 m2/KW0.044 m2/KW1.2 中国冷水机组实际应用对空调工况的要求1.2.1 冷水机组实际应用工况的温度要求我国冷水机组应用的主要地区夏季不仅干球温度较高,而且大部分地区相对湿度大,湿球温度也较高,冷却塔出水温度要达到32 以下是相当困难的,因此冷却水进水温度以29 .4或30作为标准工况有着相当大的局限性。为保证夏季炎热时期的供冷需要,将冷水机组冷却水进水温度定为32是完全正确的。我国现行应用的冷却塔国家标准GB7190.1/2-1997即规定标准工况冷却塔的进水温度为32。近年来我国大部分地区的夏季最高温度不断出现新纪录,1999年夏季北京地区天气预报的最高气温达到42,1998年8月上海连续15天天气预报的最高气温超过38。1.2.2 冷水机组长期运行时水侧污垢系数的确定对于新制造的冷水机组,水侧同制冷剂侧一样,其污垢系数可近似视为零。造成水侧结垢的原因是多方面的,有水质状况,水中有机物的生成和维护保养情况等。正如ARI指导书E-1988中指出的“ASHARE研究表明：水中的化学成份在限定范围内且无生物有机物和固态悬浮物,并对冷却塔进行良好维护保养,机组短期内的水侧污垢系数不超过0.018 m2/KW。”即ARI标准水侧污垢系数的降低是基于初次和定期的水处理并每年进行清洗保养，故其值的确定是有条件的,在ARI指导书E-1997中进一步明确指出：“水侧污垢系数随着机组运行时间的积累而增加。在很大程度上取决于所应用的水质及运行温度,而在我国大部份地区,包括东北,西北,及华北地区常常应用地下水作为工业用水,也无条件进行完备的水处理,较差的水质无法保证机组在此之前1520年常规应用周期中不出现结垢而影响传热,因此在我国实际应用中保持冷冻水,冷却水侧的污垢系数为0.086 m2/KW是完全合理且适当的。”在实际应用中,因为冷却水系统是开式循环系统,其水侧的污垢系数还应有所提高,这一点不仅应引起设计人员和用户对化工,钢铁行业等工艺用空调系统的重视,而且也应引起对一些地区舒适性空调系统的重视。基于上述分析,笔者认为在我国能够满足冷水机组长期高效可靠运行的空调工况为,冷冻水进出水温度为7/12,冷却水进出温度为32/37，冷冻水和冷却水侧污垢系数均为0.086 m2/KW。2 工况差异对冷水机组满负荷效率的影响冷水机组满负荷时的运行效率是表征冷水机组性能的关键参数,是设计人员和用户根据项目需要选择冷水机组类型或型号的重要依据,选型计算和测试冷水机组满负荷时运行效率的基准条件就是机组的的运行工况,正是ARI空调工况与中国实际应用空调工况在冷却水温度和水侧污垢系数上的差异使机组满负荷时的运行效率产生了很大的差别。2.1 冷却水工况差异对机组满负荷效率的影响我们设一固定型号的冷水机组既可以ARI空调工况,也可在中国空调工况下正常运行,并不考虑机组的压缩方式,容量大小,组成结构及工质种类,而从制冷循环的传热角度来定量分析造成的差异,90年代以来,由于传热技术的不断发展和高效传热管加工工艺水平的不断提高,使冷水机组传热温差大为减小,已不是过去大多数人概念中的56。由于换热方式的不同,单压缩机的离心或螺杆机组一般为满液式换热,其传热温差较低的已减至1.1左右,而采用干式换热的多压缩机活塞和螺杆机组传热温差相对较大,一般为3.3,综合两种情况取冷水机组平均传热温差为2.2,参见表2。表2 ARI工况与中国空调工况温度差异中国应用空调工况ARI空调工况平均蒸发温度4.84.5平均冷凝温度39.237.2冷凝与蒸发温度的温差34.432.7由于中国空调工况冷却水进水温度较高,机组相应在较高的冷凝温度下运行，压缩机要达到的压头相应升高而导致机组的效率下降，在ARI工况下运行的冷水机组在中国空调工况时满负荷效率下降值可估算为（t C -t ARI）/t ARI =5%,t为不同工况时机组平均冷凝与蒸发温度的温差，下标C代表中国空调工况，下标ARI 代表ARI工况。2 2 水侧污垢系数差异对机组负荷效率的影响ARI550，590标准的水侧污垢系数为0.044 m2/KW，水侧污垢系数增加0.044 m2/KW，其附加修正温差为0.67，水侧污垢系数对机组造成的冷凝与蒸发温差的变化可见表3 。表3 水侧污垢系数差异造成的温度差异水侧污垢系数0.086 m2/KW0.044 m2/KW平均蒸发温度4.14.8平均冷凝温度39.939.2冷凝与蒸发温度的温差35.834.4由于水侧污垢系数的增加使蒸发和冷凝制冷剂侧与水的传热温差增大，造成压缩机高低压的压差增大而降低了机组的效率，同一台冷水机组在中国空调工况水侧污垢系数较高的条件下，相对于ARI工况满负荷效率下降的百分比为: （t C-FF-t ARI-FF）/t ARI-FF=4%,下标C-FF代表中国工况水侧污垢系数,ARI-FF代表ARI工况水侧污垢系数。对于不同类型的冷水机组和同类机组的不同型号,水侧污垢对传热温差的影响取决于传热管强化表面的性能参数和换热器的类型,结构及传热管的数量,因此水侧污垢系数增大带来的附加温差可能大于1.1,姑而对机组满负荷效率下降的影响进一步增大，见表4。表4 水侧污垢系数增大造成附加温差增大对效率的影响附加修正值0.71.11.72.2满负荷效率下降值%461013从表4中可以明确看出,水侧污垢系数增加,使机组满负荷效率降低的幅度是较大的,甚至超过ARI空调工况与中国空调工况冷却水温度差异的影响,其效率降低幅度平均可达5%10%。综合对ARI空调工况和中国空调工况在冷却水温度和污垢系数差异下的定量计算可以得出：同样一台冷水机组在ARI空调工况时的名义满负荷效率在中国空调工况下要下降10%15%。正是由于ARI空调工况与中国空调工况的不同造成了满负荷效率差异,给一些设计人员和用户在冷水机组选型分析比较中造成了误解。按ARI的分析报道,1996年美国制造的离心式冷水机组的平均能效比达到5.67,即在5.55.8之间，而国内一些离心式冷水机组的能效比低于美国制造的离心式冷水机组的能效比,但了解了工况不同带来的差异就完全可以看出它们不仅仅处于同一水平,而且国内离心机组典型选型的满负荷效率相对高于美国离心机组的平均值,同时国内机组更加适合我国大部份地区气候和水质对机组长期运行的需要。3 工况差怪异对压缩式冷水机组选型的影响压缩式冷水机组的满负荷效率与其压缩方式,机组容量,机组选配的型号有关,但设计和测试性能与运行工况最为相关,即同一机组的运行效率与冷冻水,冷却水的进出水温度和水侧污垢系数相关,ARI空调工况和中国空调工况的差异,使机组满负荷效率相差10%15%。效率差异的幅度充分说明不同空调运行工况下,不仅机组满负荷效率值不可直接比较,而且机组实际制冷量存在着相当大的差别。在活塞式,螺杆式,离心式三大类压缩式冷水机组中,小容量的多压缩机多回路活塞式或螺杆式冷水机组由于其压缩机运行压缩比范围较宽,机组基本上均可以在ARI和中国空调工况下运行,但在冷量选配上应考虑在中国运行条件下制冷量的减少或功耗的上升。由于设计人员或用户一般考虑到项目施工安装等情况,系统制冷量增加了,所以实际应用中不易发现差异,但必须注意:在ARI工况下对机组性能进行系统运行费用分析事实上少算了机组功耗增加而导致的费用增加,造成得到不实的分析结果。对于大容量的单压缩机螺杆式或离心式冷水机组,除上述情况外,工况的差异直接影响到机组的选型和运行维护费用,尤其是离心式冷水机组,事实上,目前主要的离心式冷水机组制造公司均有面向不同应用空调工况的选型性能计算程序,根据不同的应用工况,按照用户对制冷量,满负荷或部份负荷效率的要求进行选型并校核。制造,测试,离心式冷水机组制冷量大,满负荷效率高,部分负荷调节能力强,但其压缩比范围相对较窄,即机组对运行极限工况较为敏感,因此在其选型中首先必须考虑并确定适当的运行工况,再按要求进行选型配置,不能一味追求满负荷效率值或机组价格的降低,尤其不能简单地根据机组的名义制冷量来选取机组,而应了解机组包括名部件的具体型号,否则实际运行费用将大大超过购置时的估算,而且由于ARI工况要求较低,机组选配了较小规格的蒸发器,冷凝器,压缩机或电机部件,造成机组运行可靠性大为降低,不但增加了维护费用,而且直接影响机组的运行寿命。4 结语ARI空调工况与中国空调工况水温的差异造成同一机组满负荷效率一般相差5%左右。若中国空调工况较ARI空调工况水侧污垢系数高0.044 m2/KW,机组满负荷效率则平均下降5%10%。ARI空调工况与中国空调工况水温和水侧污垢系数的差异造成同一机组满负荷