冷水大溫差組合式空調(diào)機研發(fā)報告
冷水大溫差組合式空調(diào)機研發(fā)報告
摘要本文闡述了對冷水大溫差組合式空調(diào)機組的研制開發(fā)過程中所作的大量試驗研究工作，包括表冷器排數(shù)、迎風(fēng)面積、冷凍水初溫、肋片材質(zhì)、管程數(shù)等對空調(diào)機組性能的影響。并對試驗結(jié)果進行了對比分析，提出了設(shè)計冷水大溫差機組的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞冷水大溫差組合式空調(diào)機組表冷器
1引言
冷水和冷卻水的輸送耗電量通常占空調(diào)總耗電量的25%左右，因此水系統(tǒng)節(jié)能十分重要。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的冷水溫差為5℃，名義工況冷水供回水溫度為7℃/12℃，而大溫差系統(tǒng)的冷水溫差為8～10℃。由于冷水溫差的加大，因此冷水量、水管直徑、水泵容量都減小，使初投資和運行費降低，初投資可以降低5%～10%，年運行費可以降低30%～50%。
我們在研究冷水大溫差系統(tǒng)時進行了大量試驗，通過對試驗結(jié)果的分析，掌握了設(shè)計冷水大溫差空調(diào)機組的技術(shù)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了大溫差系列空調(diào)機組。我們將研究成果運用于某市地鐵站臺空調(diào)工程的全部組合式空調(diào)機組的設(shè)計中。產(chǎn)品經(jīng)公司檢測中心、同濟大學(xué)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)實驗室和國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的檢測，測試結(jié)果完全達到了設(shè)計要求。
冷水大溫差組合式空調(diào)機組不僅采用了冷水大溫差技術(shù)，而且采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除了冷橋現(xiàn)象，獨特的防漏風(fēng)設(shè)計則使機組漏風(fēng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。此外，采用的均流措施使空調(diào)機組的斷面風(fēng)速均勻度等各項指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。
2冷水大溫差組合式空調(diào)機組的研制
對組合式空調(diào)機組而言，冷水大溫差主要是通過表冷器來實現(xiàn)的，因此，為了保證表冷器的進/出水溫差達到8～10℃，則必須對表冷器結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行深入的研究。
我們研究的重點是：如何優(yōu)化表冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如排數(shù)、迎風(fēng)面積、管程數(shù)等）以保證冷水和空氣通過表冷順能夠得到更充分的熱交換，從而達到冷水大溫差（8～10℃）的要求。通過這些研究可以達到下列目的：a、當(dāng)供回水為大溫差時，空調(diào)機組能夠滿足設(shè)計工況下所需的冷量，并且空氣阻力、水阻力等各項技術(shù)參數(shù)處在經(jīng)濟合理的范圍值之內(nèi)；b、減少空調(diào)系統(tǒng)投資與運行費用。由于大溫差空調(diào)機組能夠在相同的進水溫度條件下，采用較小的水量，產(chǎn)生與常規(guī)系統(tǒng)相同的冷量，因此，采用冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)的水管路及其附件、保溫和水泵等初投資和系統(tǒng)運行費用比常規(guī)系統(tǒng)都要減少，而且空調(diào)系統(tǒng)越大，其優(yōu)越性越明顯。
3冷水大溫差對空調(diào)機組性能的影響
對于冷水采用5℃溫差的空調(diào)機組而言，由于：a、冷水機組的水量是按照5℃溫升確定的；b、通常表冷器管內(nèi)水流速偏低；c、系統(tǒng)安全系數(shù)較大，因此空調(diào)機組冷水大溫差即使無法保證規(guī)定的5℃，對空調(diào)系統(tǒng)的影響也不是太明顯。但是當(dāng)冷水系統(tǒng)采用大溫差后，冷水溫差由5℃增在到8～10℃，由于：a、冷水機組的水量已按照水溫8～10℃設(shè)計；b、為體現(xiàn)大溫差的優(yōu)越性，水系統(tǒng)的管徑已按大溫差設(shè)計；c、水泵已按照大溫差進行選型。因此，如果此時仍然采用常規(guī)溫差空調(diào)機組，其性能會發(fā)生很大的變化。通常情況下會出現(xiàn)下列幾個問題：a、空調(diào)系統(tǒng)很可能因為空調(diào)機組冷水溫升過小而冷量不夠，若要保證空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷要求，需要增加空調(diào)機組的數(shù)量，從而增加初投資和運行費；b、空調(diào)機組按照常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，為了保證空調(diào)機組的冷水溫升，使其水流量減小而導(dǎo)致冷量不足，同樣需要增加空調(diào)機組的數(shù)量，來保證空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷要求；c、空調(diào)機組的去濕能力下降，導(dǎo)致室內(nèi)相對濕度增加，使人員的舒適度降低。
試驗結(jié)果（見表1）表明：冷水大溫差對空調(diào)機組的影響較大。如果采用與常規(guī)空調(diào)機組相同的配置，空調(diào)機組的熱工性能將明顯降低，當(dāng)冷水溫差由5℃加大到10℃時，表冷器的產(chǎn)冷量下降，出風(fēng)溫度上升。因此，采用冷水大溫差系統(tǒng)時，不能原封不動的使用原有空調(diào)機組，否則，將不滿足大溫差空調(diào)系統(tǒng)的要求。
不同溫差對空調(diào)機組性能影響的試驗表1
性能表冷器1表冷器2
Δt=5℃Δt=10℃Δt=5℃Δt=10℃
進水溫度(℃）7676
進風(fēng)干/濕球溫度(℃）27.01/19.5426.86/19.3227.00/19.5526.83/19.61
出風(fēng)干/濕球溫度(℃）14.01/13.2417.21/15.5615.66/15.2318.62/18.20
水量（t/h）0.8570.2982.2440.816
水流速(m/s)1.110.3870.850.31
水阻力(kPa)28.425.4419.623.34
冷量(kW)4.9793.32513.09.5
風(fēng)量(m3/h)798.14875.871425.61431.9
迎面風(fēng)速（m/s）1.31.442.0792.088
冷風(fēng)比（W/m3/h）6.243.809.1196.635
為了研制冷水大溫差空調(diào)機組，確認(rèn)設(shè)計空調(diào)機組時應(yīng)采取哪些技術(shù)措施才能使空調(diào)機組滿足冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)的要求，我們做了大量的試驗（見表2～5），由于篇幅限，下面我們只將排數(shù)、迎風(fēng)面積、冷水初溫、肋片材質(zhì)等對空調(diào)機組性能影響的試驗結(jié)果列出，并進行分析。
4表冷器排數(shù)對空調(diào)機組性能影響的試驗
表冷器排數(shù)對空調(diào)機組性能影響的試驗表2
性能排數(shù)
468
管程數(shù)101010101010
進水溫度(℃）777777
水溫差(℃）510510510
進風(fēng)干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5
出風(fēng)干/濕球溫度(℃）15.57/13.9716.90/15.3013.36/12.1414.97/13.7512.16/11.0613.91/12.81
冷量(kW)16.3512.6521.1416.9323.8119.40
水量(t/h)2.811.093.641.464.091.67
水流速(m/s)1.050.410.900.360.760.31
水阻力(kPa)16.258.3817.359.2212.462.10
空氣阻力(Pa)99.4099.28135.88135.78164.11162.38
迎面風(fēng)速（m/s）2.302.302.302.302.302.30
從表2中的數(shù)據(jù)看出：相同規(guī)格的表冷器，當(dāng)冷水溫升由5℃增加到10℃時，表冷器冷量下降的幅度與表冷器排數(shù)有關(guān)，下降比例分別為：22.6%（4排）、19.9%(6排)、18.5%（8排）。表中數(shù)據(jù)同時也表明：當(dāng)冷水溫升由5℃增加到10℃時，表冷器增加兩排后，其產(chǎn)冷量與原有表冷器的產(chǎn)冷量相近，但空氣阻力增大了。
顯然，當(dāng)采取增加表冷器的排數(shù)來保證表冷器的出風(fēng)溫度和冷量時，表冷器的水阻力、水量減小。由于水流速較低，因此，對表冷器的熱交換性能產(chǎn)生了很大的影響，并導(dǎo)致表冷器產(chǎn)冷量下降。
5表冷器迎風(fēng)面積對空調(diào)機組性能影響的試驗
表冷器迎風(fēng)面積對空調(diào)機組性能影響的試驗表3
性能表冷器排數(shù)
468
管程數(shù)101010101010
迎風(fēng)面積（m3）0.361590.480060.361590.49530.361590.50292
進水溫度(℃）777777
水溫差(℃）510510510
進風(fēng)干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5
出風(fēng)干/濕球溫度(℃）15.57/13.9715.47/13.9713.36/12.1413.21/12.1012.16/11.0612.03/11.06
冷量(kW)16.3516.3521.1421.2223.8123.82
水量(t/h)2.811.413.641.824.092.05
水流速(m/s)1.050.520.900.450.760.38
水阻力(kPa)16.2510.0217.3510.7812.463.16
空氣阻力(Pa)99.4064.62135.8875.33164.1198.76
迎面風(fēng)速（m/s）2.301.712.301.652.301.62
從表3中的數(shù)據(jù)，我們可以看出，采用增加表冷器的迎風(fēng)面積來保持表冷器出風(fēng)溫度和冷量不變的方法時，表冷器的水量、水阻力、空氣阻力、迎面風(fēng)速均減少。同樣由于水流速太低，對表冷器的產(chǎn)冷量產(chǎn)生了很大的影響。
6冷凍水初溫對空調(diào)機組性能影響的試驗
冷凍水初溫對空調(diào)機組性能影響的試驗表4性能表冷器排數(shù)
468
管程數(shù)101010101010
進水溫度(℃）74.5574.5574.55
水溫差(℃）510510510
進風(fēng)干/濕球溫度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5
出風(fēng)干/濕球溫度(℃）15.57/13.9715.58/13.9813.36/12.1413.33/12.1112.16/11.0612.15/11.05
冷量(kW)16.3516.3221.1421.2223.8123.83
水量(t/h)2.811.403.641.824.092.05
水流速(m/s)1.050.520.900.450.760.38
水阻力(kPa)16.2510.0117.3510.7712.463.16
空氣阻力(Pa)99.4099.40135.88135.88164.11164.12
迎面風(fēng)速（m/s）2.302.302.302.302.302.30
表4中的數(shù)據(jù)表明：當(dāng)表冷器的時水初溫為7℃（溫升5℃時），其產(chǎn)冷量與進水初溫為4.5℃左右（溫升10℃）時的產(chǎn)冷量基本相同。表中數(shù)據(jù)同時還表明：在10℃溫升的條件下，降低表冷器的進水溫度，其空氣阻力基本不變，但水量、水阻力明顯降低，水流速也變小。顯然，由于水流速低，對表冷器的產(chǎn)冷量產(chǎn)生了一定的影響。文獻4認(rèn)為，當(dāng)冷水機組出水溫度為6℃，冷水溫差為8℃時，冷水大溫差的節(jié)能效果最佳，冷水流量減少37.5%，冷水泵能耗減少54%，冷水機組單位質(zhì)量制冷量能耗與名義工況下能耗相當(dāng)，效率降低較小。當(dāng)冷水機組出水溫度為5℃、進出口溫差為10℃時，冷水機組的單位質(zhì)量制冷量能耗和單位質(zhì)量有效能損失均過大。因此只有在冷水機組能耗增加小于冷水泵能耗減少的情況下，才能取得真正的節(jié)能有效果。文獻5認(rèn)為，表冷器冷水進出口溫差為7℃/17℃時，空調(diào)系統(tǒng)實投資不降反增，由于冷水機組處于極限狀態(tài)，有的生產(chǎn)廠供應(yīng)不了此類產(chǎn)品。
7表冷器肋片材質(zhì)對空調(diào)機組性能影響的試驗
表冷器肋片材質(zhì)對空調(diào)機組性能影響的試驗表5
性能冷水溫差
Δt=5℃Δt=10℃
鋁箔材質(zhì)普通親水普通親水
進水溫度(℃）7766
風(fēng)量(m3/h)833836875839
冷量(W)5639589039714471
水量（kg/h）9931015350395
水阻力(kPa)11.512.417.723.5
冷風(fēng)比(W/m3/h)6.76957.04554.53835.329
比率(%)100104.08100117.42
從表5的數(shù)據(jù)我們可以看出：表冷器肋片材質(zhì)的變化，對表冷器產(chǎn)冷能力將有一定程度的影響，涂親水膜的表冷器翅片可以強化換熱效果，增大產(chǎn)冷量。
8表冷器選型設(shè)計與檢測結(jié)果的對比
根據(jù)試驗結(jié)果所編制的冷水大溫差表冷器設(shè)計軟件，對表冷器進行選型設(shè)計，然后經(jīng)過權(quán)威檢測機構(gòu)的檢測，結(jié)果對比見表6。
表冷器選型設(shè)計與檢測結(jié)果的對比表6
性能設(shè)計檢測
風(fēng)量(m3/h)75007398.4
排數(shù)(排）66
表面管數(shù)(根)1414
管程數(shù)1212
迎風(fēng)面積(m2)0.8280.828
迎風(fēng)風(fēng)速(m/s)2.5172.483
進水溫度(℃）8.008.00
進出水溫差(℃）9.009.00
進風(fēng)干/濕球溫度(℃）28.964/23.63829.00/23.50
出風(fēng)干/濕球溫度(℃）17.83/17.5016.55/16.25
水流速(m/s)1.121.187
水量（kg/h）51865498
水阻力(kPa)32.45634.27
冷量(W)5430058735
冷風(fēng)比(W/m3/h)7.247.939
冷風(fēng)比比率(%)100109.65
從表6中的冷風(fēng)比比率值上可以看出：選型設(shè)計有接近10%的設(shè)計富余量，這一點是非常必要的。我們知道：隨著空調(diào)系統(tǒng)運行時間的增加，將會出現(xiàn)表冷器翅片表面沈積灰塵，銅管內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢等現(xiàn)象，因此，表冷器傳熱性能將有一定程度的下降。如果表冷器設(shè)計時沒有適當(dāng)?shù)母挥嗔繉?dǎo)致空調(diào)機組產(chǎn)冷能力下降，并影響空調(diào)系統(tǒng)的運行質(zhì)量。顯然，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計富余量對確保空調(diào)系統(tǒng)的正常運行是十分必要和有利的。
9結(jié)論
9．1對于冷水大溫差系統(tǒng)，采用常規(guī)空調(diào)機組是難于滿足要求的，必須采用冷水大溫差專用空調(diào)機組。對于同一規(guī)格的表冷器，當(dāng)冷水溫差由5℃提高到10℃時，表冷器產(chǎn)冷量下降，出風(fēng)溫度上升。本文只適用于全空氣系統(tǒng)的組合式空調(diào)機組，不宜用于其它空調(diào)機組。
9．2為了使空調(diào)機組能夠滿足冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)的要求，可以采取增加表冷器排數(shù)、增加表冷器傳熱面積、降低冷水實溫、改變表冷器管程數(shù)、改變表冷器的肋片材質(zhì)等方法。當(dāng)然，最終采取何種方法應(yīng)根據(jù)工程項目的要求，進行具體的技術(shù)經(jīng)濟比較分析后才能確定。其關(guān)鍵在于如何確定最佳的表冷器設(shè)計方案。
9．3表冷器加大換熱面積可以增大產(chǎn)冷量，比增加排數(shù)的效果更好。其中縮小表冷器翅片片距來增大換熱面積，可以不加大機組外形尺寸，但會嗇表冷器造價，增大空氣阻力，清洗困難，容易臟堵。采用增加表冷器迎風(fēng)面積來保持表冷器出風(fēng)溫度和產(chǎn)冷量不變的方法時，表冷器的空氣阻力、迎面風(fēng)速均會減小。但會加大空調(diào)機組的外形尺寸，增加造價，增大機房面積，顯然業(yè)主是不歡迎的。但當(dāng)場地允許時，可以優(yōu)先考慮采用增大迎風(fēng)面積的方法。
9．4增加表冷器排數(shù)是為了補償采用大溫差后導(dǎo)致的冷量下降和出風(fēng)溫度升增加排數(shù)可以不影響空調(diào)機組寬與高的尺寸，但空調(diào)機組的長度會加大。同時會增加表冷器造價，增大空氣阻力，相應(yīng)增大空調(diào)機組電耗，而水量和水阻力卻減小。表冷器排數(shù)一般在8排以內(nèi)比較合適，10排以上就顯得排數(shù)過多，換熱效果增加不多，但空氣阻力增大，造價也增加較多。
9．5降低表冷器進水溫度，可以加大產(chǎn)冷量。表冷器進水初溫為7℃（溫升為5℃）時，其中冷量與進水溫度為4.5℃左右（溫升為10℃）時的產(chǎn)冷量基本相同。在10℃溫升時，空氣阻力不變，水量、水流速和水阻力明顯降低。在大溫差條件下，降低冷水機組的出水溫度，冷水機組的性能是允許的。由于蒸發(fā)溫度下降，將使制冷量下降，同時由于水流速減小，也會使制冷量減小。因此決定表冷器進水溫度時，不能單純從表冷器提高產(chǎn)冷量考慮，同時也要綜合考慮冷水機組降低制冷量的不利因素。不能按樣本選用冷水機組，必須請制造廠根據(jù)軟件計算選型。
9．6加大管程數(shù)，提高水流速，明顯加大表冷器產(chǎn)冷量，就盡量考慮。但如水速過高時，會使水阻力過大。另外由于表冷器結(jié)構(gòu)限制，也只能在有限范圍內(nèi)調(diào)整管程數(shù)。
9.7表冷器翅片涂親水膜，促使冷凝水迅速流走，使產(chǎn)冷量加大。
參考文獻
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