冷水大温差組合式空調機研發報告

冷水大温差組合式空調機研發報告

摘要本文闡述了對冷水大温差組合式空調機組的研製開發過程中所作的大量試驗研究工作，包括表冷器排數、迎風面積、冷凍水初温、肋片材質、管程數等對空調機組性能的影響。並對試驗結果進行了對比分析，提出了設計冷水大温差機組的技術要求。

關鍵詞冷水大温差組合式空調機組表冷器

1引言

冷水和冷卻水的輸送耗電量通常佔空調總耗電量的25%左右，因此水系統節能十分重要。常規空調系統的冷水温差為5℃，名義工況冷水供回水温度為7℃/12℃，而大温差系統的冷水温差為8～10℃。由於冷水温差的加大，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%。

我們在研究冷水大温差系統時進行了大量試驗，通過對試驗結果的分析，掌握了設計冷水大温差空調機組的技術參數，並在此基礎上開發了大温差系列空調機組。我們將研究成果運用於某市地鐵站台空調工程的全部組合式空調機組的設計中。產品經公司檢測中心、同濟大學供熱通風與空氣調節實驗室和國家空調設備質量監督檢測中心的檢測，測試結果完全達到了設計要求。

冷水大温差組合式空調機組不僅採用了冷水大温差技術，而且採用了特殊的結構設計，消除了冷橋現象，獨特的防漏風設計則使機組漏風率遠遠低於國家標準。此外，採用的均流措施使空調機組的斷面風速均勻度等各項指標均優於國家標準。

2冷水大温差組合式空調機組的研製

對組合式空調機組而言，冷水大温差主要是通過表冷器來實現的，因此，為了保證表冷器的進/出水温差達到8～10℃，則必須對錶冷器結構及其相關技術參數進行深入的研究。

我們研究的重點是：如何優化表冷器的結構參數（如排數、迎風面積、管程數等）以保證冷水和空氣通過表冷順能夠得到更充分的熱交換，從而達到冷水大温差（8～10℃）的要求。通過這些研究可以達到下列目的：a、當供回水為大温差時，空調機組能夠滿足設計工況下所需的冷量，並且空氣阻力、水阻力等各項技術參數處在經濟合理的範圍值之內；b、減少空調系統投資與運行費用。由於大温差空調機組能夠在相同的進水温度條件下，採用較小的水量，產生與常規系統相同的冷量，因此，採用冷水大温差空調系統的水管路及其附件、保温和水泵等初投資和系統運行費用比常規系統都要減少，而且空調系統越大，其優越性越明顯。

3冷水大温差對空調機組性能的影響

對於冷水採用5℃温差的空調機組而言，由於：a、冷水機組的水量是按照5℃温升確定的；b、通常表冷器管內水流速偏低；c、系統安全係數較大，因此空調機組冷水大温差即使無法保證規定的5℃，對空調系統的影響也不是太明顯。但是當冷水系統採用大温差後，冷水温差由5℃增在到8～10℃，由於：a、冷水機組的水量已按照水温8～10℃設計；b、為體現大温差的優越性，水系統的管徑已按大温差設計；c、水泵已按照大温差進行選型。因此，如果此時仍然採用常規温差空調機組，其性能會發生很大的變化。通常情況下會出現下列幾個問題：a、空調系統很可能因為空調機組冷水温升過小而冷量不夠，若要保證空調系統的冷負荷要求，需要增加空調機組的數量，從而增加初投資和運行費；b、空調機組按照常規空調系統設計，為了保證空調機組的冷水温升，使其水流量減小而導致冷量不足，同樣需要增加空調機組的數量，來保證空調系統的冷負荷要求；c、空調機組的去濕能力下降，導致室內相對濕度增加，使人員的舒適度降低。

試驗結果（見表1）表明：冷水大温差對空調機組的影響較大。如果採用與常規空調機組相同的配置，空調機組的熱工性能將明顯降低，當冷水温差由5℃加大到10℃時，表冷器的產冷量下降，出風温度上升。因此，採用冷水大温差系統時，不能原封不動的使用原有空調機組，否則，將不滿足大温差空調系統的要求。

不同温差對空調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℃

進水温度(℃）7676

進風乾/濕球温度(℃）27.01/19.5426.86/19.3227.00/19.5526.83/19.61

出風乾/濕球温度(℃）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

風量(m3/h)798.14875.871425.61431.9

迎面風速（m/s）2.088

冷風比（W/m3/h）6.635

為了研製冷水大温差空調機組，確認設計空調機組時應採取哪些技術措施才能使空調機組滿足冷水大温差空調系統的要求，我們做了大量的試驗（見表2～5），由於篇幅限，下面我們只將排數、迎風面積、冷水初温、肋片材質等對空調機組性能影響的試驗結果列出，並進行分析。

4表冷器排數對空調機組性能影響的試驗

表冷器排數對空調機組性能影響的試驗表2

性能排數

468

管程數101010101010

進水温度(℃）777777

水温差(℃）510510510

進風乾/濕球温度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

出風乾/濕球温度(℃）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)

水流速(m/s)

水阻力(kPa)16.258.3817.359.2212.462.10

空氣阻力(Pa)99.4099.28135.88135.78164.11162.38

迎面風速（m/s）

從表2中的數據看出：相同規格的表冷器，當冷水温升由5℃增加到10℃時，表冷器冷量下降的幅度與表冷器排數有關，下降比例分別為：22.6%（4排）、19.9%(6排)、18.5%（8排）。表中數據同時也表明：當冷水温升由5℃增加到10℃時，表冷器增加兩排後，其產冷量與原有表冷器的產冷量相近，但空氣阻力增大了。

顯然，當採取增加表冷器的排數來保證表冷器的出風温度和冷量時，表冷器的水阻力、水量減小。由於水流速較低，因此，對錶冷器的熱交換性能產生了很大的影響，並導致表冷器產冷量下降。

5表冷器迎風面積對空調機組性能影響的試驗

表冷器迎風面積對空調機組性能影響的試驗表3

性能表冷器排數

468

管程數101010101010

迎風面積（m3）0.361590.480060.361590.49530.361590.50292

進水温度(℃）777777

水温差(℃）510510510

進風乾/濕球温度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

出風乾/濕球温度(℃）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)

水流速(m/s)

水阻力(kPa)16.2510.0217.3510.7812.463.16

空氣阻力(Pa)99.4064.62135.8875.33164.1198.76

迎面風速（m/s）

從表3中的數據，我們可以看出，採用增加表冷器的迎風面積來保持表冷器出風温度和冷量不變的方法時，表冷器的水量、水阻力、空氣阻力、迎面風速均減少。同樣由於水流速太低，對錶冷器的產冷量產生了很大的影響。

6冷凍水初温對空調機組性能影響的試驗

冷凍水初温對空調機組性能影響的試驗表4性能表冷器排數

468

管程數101010101010

進水温度(℃）74.5574.5574.55

水温差(℃）510510510

進風乾/濕球温度(℃）27/19.527/19.527/19.527/19.527/19.527/19.5

出風乾/濕球温度(℃）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)

水流速(m/s)

水阻力(kPa)16.2510.0117.3510.7712.463.16

空氣阻力(Pa)99.4099.40135.88135.88164.11164.12

迎面風速（m/s）

表4中的數據表明：當表冷器的時水初温為7℃（温升5℃時），其產冷量與進水初温為4.5℃左右（温升10℃）時的產冷量基本相同。表中數據同時還表明：在10℃温升的條件下，降低表冷器的進水温度，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，由於水流速低，對錶冷器的產冷量產生了一定的影響。文獻4認為，當冷水機組出水温度為6℃，冷水温差為8℃時，冷水大温差的節能效果最佳，冷水流量減少37.5%，冷水泵能耗減少54%，冷水機組單位質量製冷量能耗與名義工況下能耗相當，效率降低較小。當冷水機組出水温度為5℃、進出口温差為10℃時，冷水機組的單位質量製冷量能耗和單位質量有效能損失均過大。因此只有在冷水機組能耗增加小於冷水泵能耗減少的情況下，才能取得真正的節能有效果。文獻5認為，表冷器冷水進出口温差為7℃/17℃時，空調系統實投資不降反增，由於冷水機組處於極限狀態，有的生產廠供應不了此類產品。

7表冷器肋片材質對空調機組性能影響的試驗

表冷器肋片材質對空調機組性能影響的試驗表5

性能冷水温差

Δt=5℃Δt=10℃

鋁箔材質普通親水普通親水

進水温度(℃）7766

風量(m3/h)833836875839

冷量(W)5639589039714471

水量（kg/h）9931015350395

水阻力(kPa)

冷風比(W/m3/h)6.76957.04554.53835.329

比率(%)100104.08100117.42

從表5的數據我們可以看出：表冷器肋片材質的變化，對錶冷器產冷能力將有一定程度的影響，塗親水膜的表冷器翅片可以強化換熱效果，增大產冷量。

8表冷器選型設計與檢測結果的對比

根據試驗結果所編制的冷水大温差表冷器設計軟件，對錶冷器進行選型設計，然後經過權威檢測機構的檢測，結果對比見表6。

表冷器選型設計與檢測結果的對比表6

性能設計檢測

風量(m3/h)75007398.4

排數(排）66

表面管數(根)1414

管程數1212

迎風面積(m2)0.8280.828

迎風風速(m/s)2.5172.483

進水温度(℃）8.008.00

進出水温差(℃）9.009.00

進風乾/濕球温度(℃）28.964/23.63829.00/23.50

出風乾/濕球温度(℃）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

冷風比(W/m3/h)7.247.939

冷風比比率(%)100109.65

從表6中的冷風比比率值上可以看出：選型設計有接近10%的設計富餘量，這一點是非常必要的。我們知道：隨着空調系統運行時間的增加，將會出現表冷器翅片表面沈積灰塵，銅管內壁腐蝕結垢等現象，因此，表冷器傳熱性能將有一定程度的下降。如果表冷器設計時沒有適當的富餘量將導致空調機組產冷能力下降，並影響空調系統的運行質量。顯然，適當的設計富餘量對確保空調系統的正常運行是十分必要和有利的。

9結論

9．1對於冷水大温差系統，採用常規空調機組是難於滿足要求的，必須採用冷水大温差專用空調機組。對於同一規格的表冷器，當冷水温差由5℃提高到10℃時，表冷器產冷量下降，出風温度上升。本文只適用於全空氣系統的組合式空調機組，不宜用於其它空調機組。

9．2為了使空調機組能夠滿足冷水大温差空調系統的要求，可以採取增加表冷器排數、增加表冷器傳熱面積、降低冷水實温、改變表冷器管程數、改變表冷器的肋片材質等方法。當然，最終採取何種方法應根據工程項目的要求，進行具體的技術經濟比較分析後才能確定。其關鍵在於如何確定最佳的表冷器設計方案。

9．3表冷器加大換熱面積可以增大產冷量，比增加排數的效果更好。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，容易髒堵。採用增加表冷器迎風面積來保持表冷器出風温度和產冷量不變的方法時，表冷器的空氣阻力、迎面風速均會減小。但會加大空調機組的外形尺寸，增加造價，增大機房面積，顯然業主是不歡迎的。但當場地允許時，可以優先考慮採用增大迎風面積的方法。

9．4增加表冷器排數是為了補償採用大温差後導致的冷量下降和出風温度升增加排數可以不影響空調機組寬與高的尺寸，但空調機組的長度會加大。同時會增加表冷器造價，增大空氣阻力，相應增大空調機組電耗，而水量和水阻力卻減小。表冷器排數一般在8排以內比較合適，10排以上就顯得排數過多，換熱效果增加不多，但空氣阻力增大，造價也增加較多。

9．5降低表冷器進水温度，可以加大產冷量。表冷器進水初温為7℃（温升為5℃）時，其中冷量與進水温度為4.5℃左右（温升為10℃）時的產冷量基本相同。在10℃温升時，空氣阻力不變，水量、水流速和水阻力明顯降低。在大温差條件下，降低冷水機組的出水温度，冷水機組的性能是允許的。由於蒸發温度下降，將使製冷量下降，同時由於水流速減小，也會使製冷量減小。因此決定表冷器進水温度時，不能單純從表冷器提高產冷量考慮，同時也要綜合考慮冷水機組降低製冷量的不利因素。不能按樣本選用冷水機組，必須請製造廠根據軟件計算選型。

9．6加大管程數，提高水流速，明顯加大表冷器產冷量，就儘量考慮。但如水速過高時，會使水阻力過大。另外由於表冷器結構限制，也只能在有限範圍內調整管程數。

9.7表冷器翅片塗親水膜，促使冷凝水迅速流走，使產冷量加大。

參考文獻

1精亞集團，冷水大温差組合式空調機組試驗研究報告，2001

2殷平，空調大温差研究（4）：空調冷水大温差系統經濟分析，暖通空調，2001，31（1）

3殷平，空調大温差研究（5）：空調冷水大温差系統設計方法，暖通空調，2001，31（2）

4許新明等，空調系統冷水大温差運行特性分析，製冷，2001，3

5壽煒煒，空調用冷水温差的擇優探討，上海市制冷學會1999年年會論文集

nta:ASHRAEInc.