摘要:在樓宇空調水系統設計方案中，冷水機組的冷凍水供、回水溫差通常為5 ?。近年來冷水機組的效率提高很快，同時大溫差小流量的空調水系統方案受到了更多關注。本文分析說明大溫差小流量的空調水系統方案經過優化可以減少空調系統的總能耗和配套設備的初投資，探討在該方案中空調水系統末端設備的選擇問題，并結合工程實例說明該方案的應用效果。
關鍵詞:冷水機組 空調水系統 運行費用 初投資
0 前言
近年來中國許多大中城市夏季電力短缺現象日趨嚴重，已影響了當地的經濟發展和人民生活。夏季空調設備的耗電量節節攀升，高峰時甚至消耗約40 %的城市電力供應，因此節約用電迫在眉睫。
于2005年實施的《冷水機組能效限定值及能源效率等級》(GB19577-2004)和《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2005)均提出了強制性的冷水機組能效比要求，為空調設備節約用電打下堅實基礎。
由于樓宇的空調電費取決于整個空調系統的能耗，因此不僅需要提高空調設備本身的效率，而且要優化空調系統設計，降低樓宇空調系統的整體能耗。樓宇空調的冷水系統一般包括冷水機組、冷卻塔、冷凍水水泵及冷卻水水泵等幾個主要的耗能部件。在過去的30年內，冷水機組的效率幾乎提高了一倍，冷水機組占整個系統能耗的比例已降低了20 %，而冷卻塔和水泵的能耗比例提高了10 %(圖1)。需要優化空調系統的設計方案，調整各部件所占系統能耗的分配比例來降低整個系統的能耗。
圖1 過去30年內冷水系統能耗百分比的變化 1 優化空調水系統
多年來冷水機組的冷凍水供、回水設計溫差通常為5 ?。冷水機組提供的冷量與冷凍水的供、回水溫差和流量有關，計算公式如下:
Q = M*C*DT (1) p
式(1)中假定比熱C為常數。若所需的冷量Q不變，則既可采用增大流量M而減小溫差p
DT的方案(即增加水泵耗功而減少機組耗功)，又可采用減少流量M而增大溫差DT的方案(即減少水泵耗功而增加機組耗功)，而這兩種方案的系統總能耗可能并不相等。
為了分析系統總能耗如何隨水流量和水溫差而變化，在表1中選擇4種不同的流量/溫差方案進行了計算。表中2.4/3.0 gpm/ton這一基準方案也是ARI的標準額定工況。本例中對系統的構成不作詳細介紹。
表1 水流量對系統總能耗的影響
水流量方案 2.4/3.0 2.0/3.0 1.3/3.0 1.3/2.0
冷凍水流量 gpm/ton 2.4 2.0 1.3 1.3
3m/h.kW 0.155 0.129 0.084 0.084
o溫差 F 10 12 18 18
oC 5.6 6.7 10 10
o進口溫度 F 54 54 60 60
oC 12.2 12.2 15.5 15.6
o出口溫度 F 44 42 42 42
oC 6.7 5.6 5.6 5.6
冷卻水流量 gpm/ton 3.0 3.0 3.0 2.0
3m/h.kW 0.194 0.194 0.194 0.129
o溫差 F 10 10 10 15
oC 5.6 5.6 5.6 8.3
o進口溫度 F 85 85 85 85
oC 29.4 29.4 29.4 29.4
o進口溫度 F 95 95 95 100
oC 35 35 35 37.8
年耗電量(kWh)
壓縮機 477,231 494,871 492,466 516,377
冷卻塔 147,963 148,756 148,648 114,928
冷凍水水泵 218,894 126,731 37,725 37,725
冷卻水水泵 329,508 329,508 329,508 97,534
系統總能耗 1,173,596 1,099,866 1,008,347 766,564
基準方案百分比 100% 94% 86% 65%
這4種方案的能耗對比見圖2。可見，隨著水流量的減小，整個系統的總能耗是逐漸減小的，冷卻水水泵、冷凍水水泵及冷卻塔的能耗也是逐漸降低的，而壓縮機的能耗則反而增多。這個變化趨勢是與水流量減小而水溫差增大有關的。
圖2 冷水系統的總能耗隨工況的變化
圖3 部分負荷下的節能效果
上文分析了空調系統全負荷下的系統總能耗。對于部分負荷，同樣可以進行類似的計算分析，其結果如圖3所示，大溫差小流量系統在部分負荷下的節能趨勢與常規的定流量系統的相似，但節能效果更為顯著。因為在部分負荷下，當制冷量減小時，冷水機組的能耗隨著降低，對于常規的定流量系統，冷卻水水泵、冷凍水水泵及冷卻塔的能耗幾乎不變，故水系統總能耗的減小趨勢不夠顯著;而對于大溫差小流量系統，當制冷量減小時，冷卻水水泵、冷凍水水泵及冷卻塔的能耗也隨著降低，因此水系統的總能耗的減小趨勢更為顯著。
如上所述，大溫差小流量系統能夠降低空調水系統總能耗。那么，該系統對初投資又有什么影響呢,
在以上的能耗分析中，我們假設系統設備不變。實際上，大溫差小流量系統還可以減小水泵的尺寸、閥的大小、管道的直徑及保溫材料的用量等等。表2列出了在一個實際項目中，冷
oooo凍水溫差由10 F (5.56 C ) 增至 18 F (10 C )時實際成本的變化。可見，系統初投資的減小趨勢是明顯的。
表2 大溫差小流量系統初投資
部件 成本降低幅度(%)
管路 38%
閥門 39%
保溫層 16%
人工費 16%
水泵 32%
近年來大溫差小流量空調水系統方案受到廣泛關注。《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2005 )要求冷凍水供、回水溫差不小于5 ?，并闡明某些實際工程采用8 ?溫差，獲得良好的節能效果。但是在推廣大溫差小流量空調水系統方案時，需考慮以下三點:
1)水系統不同，最優化的工況可能不同，具體取決于空調負荷特點、外部環境、設備性能等。
2)冷水機組應能夠在寬廣的蒸發溫度與冷凝溫度范圍內可靠地運行，并保持較高的制冷效率。
3)水流量不是越小越好，水泵及冷卻塔節省的能耗應大于空調設備傳熱效率可能下降所增加的能耗。
2 水系統末端設備的選擇
由于水系統末端設備(空調箱、風機盤管等)通常按照冷凍水供、回水5 ?溫差進行設計和制造，故人們擔心現有的水系統末端設備應用于大溫差小流量系統時，能否提供充足的冷量和合適的空調出風溫度。
2.1 理論分析
3以12000 m/h風量的空調箱為例，在冷凍水供、回水溫差分別為5.5 ?和8.9 ?時，理論分析水盤管的熱交換量(冷量)的差別，如圖4所示。
圖4 水盤管熱交換溫度趨勢圖 水盤管的熱交換量計算公式如下:
Q=U*S*LMTD (2)
假設式(2)中傳熱系數U不變，傳熱面積S不變，則水盤管的熱交換量Q僅與空氣與水的對數平均溫差LMTD有關。
LMTD=(TD2-TD1)/Ln(TD2/TD1) (3)
式(3)中TD1、TD2分別為水盤管的進水端和出水端的空氣與水的溫差
根據圖4的溫度數據和公式(3)，計算結果如下: 冷凍水5.5 ?溫差(12.2/6.7 ?)時:LMTD=9.7
冷凍水8.9 ?溫差(13.9/5.0 ?)時:LMTD=10.1
2.2 電腦模擬
根據公式(2)及假設傳熱系數U不變，可得出在冷凍水供、回水溫差大時，水盤管的熱交換量(冷量)增大的結論。實際上,在設計時必須考慮水流量變化對于水盤管傳熱的影響,并對其結構參數作相應的調整。
首先在常規的空調混風工況、新風工況條件下，通過電腦選型軟件(如特靈公司的TOPSS軟件)，在冷凍水供、回水溫差分別為5.6 ?、8 ?、10 ?時，比較所選擇水盤管的排數，以便判斷是否需要更新水系統末端設備。
