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大温差技术在商业空调系统中的应用

作者:匡芳、孙建磊、韦以超

【摘 要】本文以某商场为对象,通过对冷冻水系统采用常规温差7/12℃与大温差5/13℃两种工况下,冷水主机、冷冻水泵、空调末端的初投资及运行能耗变化趋势的分析,提出冷冻水大温差系统的适用性问题。

【关键词】大温差冷冻水系统、能耗、初投资、适用性

1.     引言

在空调系统中,冷冻水和冷却水系统输送能耗约占空调系统总能耗的25%左右,因此,降低水系统输送能耗的技术得到广泛的重视,如水泵变频调节、多级泵系统、大温差技术等。冷冻水大温差系统可以大幅度减少循环冷冻、冷却水量,从而有效的节约冷冻水的输送能耗及空调水系统的投资。随着大型、超高层筑的不断兴建,冷冻水大温差技术得到了广泛应用,体现出在高层建筑、商业中采用大温差技术的优越性。然而冷冻水温差的大小不仅影响冷冻水系统,同时也将影响冷水机组及空调末端的运行特性。因此本文拟通过对某具有代表性的实际工程冷水温差的分析研究,系统全面的探讨了冷冻水大温差的适用性,为国内设计者提供参考。

目前,大温差系统可分为:大温差送风系统,送风温差可达14~20℃;大温差冷冻水系统,进出口水温差可达6~10℃;此外还有和冰蓄冷相结合的低温送风大温差和冷冻水大温差系统,风侧温差可达17~23℃,水侧可达10~15℃等。

2.     工程概况

本项目为滨江俊园13~16栋裙楼商业(俊发广场),共计5层(-1F~4F),商业区域总建筑面积约为28440m2,空调总制冷量2614kW。制冷系统由2台安装于地下2层的水冷双螺杆冷水机组组成,超低噪音冷却塔安装于7层裙楼屋顶。冷冻水系统采用大温差设计,供回水温度为5℃/13℃、冷却水供回水温度为27℃/35℃。室内商业区域均采用全空气系统,气流组织为上送上回,并采取了过渡季节全新风运行技术措施。

 

3.     空调系统运行能耗分析

常规冷冻水标准供回水温度为7℃/12℃(∆t=5℃),本设计大温差冷冻水供回水温度为5℃/13℃(∆t=8℃),本文以此作为讨论依据。

3.1水泵能耗

采用冷冻水大温差最主要的目的是减小冷冻水泵输送功率,而泵的输送功率是与水流量、管路阻力损失成正比。空调水系统管径的设计是采用假定比摩阻法,当采用大温差系统水流量减少时,其管径也将重新设计。因此,水系统管道阻力特性曲线相较常规温差系统已经改变,水泵的功率应按下式计算:

N=γ·W·Hη   (式中:γ-水的容重、η-水泵综合效率、H-水泵扬程)

管道比摩阻取经济比摩阻计算时,在管道系统形式一定的情况下,二种温差冷水管道的压力损失基本上相当,则冷冻水泵功率仅与流量成正比。因此,采用8℃温差时,水泵功率为采用5℃温差时的62.5%,即水泵功率节能率为37.5%。

3.2    水冷冷水制冷主机能耗


对于5℃/13℃(∆t=8℃)的大温差冷冻水系统,由于冷冻水量减少37.5%,冷冻水在蒸发器中的流动速度也将减少37.5%。由有关资料可知,由于冷冻水温差增大、制冷机蒸发温度大约下降0.8℃左右,从而导致单位制冷量能耗增加6~8%左右,即:COP’=COP1.06~1.08COP(COP为5℃常规温差主机性能系数)。

3.3    末端空气处理机的能耗


冷冻水温差增大,空气处理机冷水流量减少,使表冷器换热系数下降,导致制冷量、除湿能力下降。解决这一问题通常有①增大表冷器换热面积;②增加表冷器排数;③增加表冷器水管回路。资料显示,当采用增大表冷器迎风面积方法时,水阻力增加约3倍,水泵能耗增加,空气阻力可相应减少35%左右,空气处理机价格增加折算成单位风量,约为成本增加2500元/104m3。另外,由于增加表冷器迎风面积将增加空调机组的宽度,需较大的风机房面积,难以被业主接受。因此,一般情况下可采用增加表冷器排数的方法加以解决。增加表冷器排数一方面增加了表冷器造价,另一方面空气阻力增加(如从4排增至6排时,风机阻力增加约30%;从6排增至8排时,风机阻力增加约20%),风机运行功率增加12%。此外,可以通过在表冷器水管内内置细钢丝扰流器来强化换热,可以在不增加表冷器排数或换热面积的前提下,获得较好的换热效果。本设计选用的即为第三种技术方案,有设备供应商针对大温差系统提供与之相适应的末端空气处理机,技术参数与常规5℃温差的一致,能耗不变。

4. 不同冷水温差系统初投资比较

冷冻水大温差可以减少冷水管道管径以节约管道系统投资费用,另外亦能减少冷冻水泵大小而降低投资。然而另一方面,末端空调机组表冷器需增大排数或者迎风面积,导致投资增加,同时空调机组阻力增大使风机容量增大,也导致投资增加。管道系统及附件投资约占空调系统总投资的30%、末端空气处理机组投资约占总投资15%、制冷主机投资约占总投资55%。选用大温差可节约水管路系统投资25%左右,而末端空气处理机组投资将上升20%左右(本项目采用制冷主机供应商配套的大温差末端空气处理机,投资基本不变)、制冷主机投资大约上升8%。

经过简单计算可以发现使用大温差冷冻水空调系统总投资将节约3.59%左右。 另据供货商提供的工程实例统计数据,大温差系统相较常规温差系统全年节约能耗约为6~8%。初投资比较表格如下:

冷水制冷主机大部分时间处于部份负荷运行状态,满负荷运行时间仅占总时间的很少部份,而部份负荷运行时间占绝大多数。

5. 变冷水温度运行的节能性

因此,在不同负荷率下制冷主机的运行效率直接影响到系统运行费用的高低。当负荷变化时,可以通过调节系统循环水量、冷冻水供水温度、末端送风量等方法与之匹配。而大温差制冷主机无疑有更宽的冷冻水供水温度调节范围,从而可达到更高的COP(冷冻水供水温度提高、主机耗电降低),再配合以变流量措施,可获得更低的运行费用。

6. 结论

空调冷冻水系统采用大温差有以下优势:①有效节省运行能耗和初投资;②减少管井尺寸,提高可出租建筑面积,增加租金收入;③降低吊顶内风管净空需要,提升吊顶标高,增加人体舒适度;④ 较常规温差更为宽广的负荷调整范围。

然,在采用大温差冷冻水系统时,应考虑冷水机组、末端空调机组或盘管的性能改变,系统分析冷水大温差在各方面的影响(尤其是夏季除湿性能),合理选择冷冻水温差。

本项目自2014年四季度投入正式运营至今,回访结果达到了设计目的,甲方比较满意。在2015年呈贡“风华俊园”裙楼商业、文山光大沃尔玛、宜良愿景沃尔玛项目中,再次得到应用。



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