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【摘要】本文以某超高层建筑为研究对象，通过对冷冻水系统采用标准温差（7/12℃）与大温差（6/14℃）两种工况下，冷水机组、冷冻水泵、空调末端的初投资及运行能耗变化趋势的具体分析，提出冷冻水大温差系统的适用性问题。
【关键词】冷冻水系统；大温差；能耗；初投资；适用性
中图分类号： TU831.3+5 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
在空调系统中，冷冻水和冷却水系统输送能耗往往占系统总能耗的25%左右[1]，因此，降低水系统输送能耗的技术得到广泛的重视，如变频调节、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水量，从而有效的节约冷冻水的输送能耗及冷水系统的投资。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，体现出在超高层建筑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。
2、工程概况
本工程为超甲级综合性办公大楼，占地面积12550m2，总建筑面积127860m2，地下4层，地上38层，建筑高度180米。地下层为汽车库和设备用房；塔裙楼主要为商业、餐饮及办公用房；避难(设备)层设置在九层、二十五层。该工程空调总设计冷负荷冷负荷为10550kw（3000RT）。制冷系统由二台制冷量4220kw(1200RT)的水冷离心冷水机组、二台制冷量1055kw(300RT)的水冷螺杆式冷水机组组成。冷冻水系统采用大温差设计，低区供回水温度为6℃/14℃，高区供回水温度为7℃/15℃，板式热交换器设置在25层。 首层至六层大空间空调区采用集中处理低速送风系统，塔楼办公用房采用VAV空调系统。
图1 塔楼空调水系统图
该工程空调系统的初投资和年运行费用都非常大，合理确定冷冻水温升对减少空调系统初投资和降低年运行费用都起重要作用。
3、不同冷水温差系统运行能耗比较
冷冻水标准供回水温度为7/12℃，典型大温差冷冻水供回水采用6/14℃，温差8℃。本文仅讨论这两种代表性温差。
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冷水流量和管路阻力损失成正比。国内许多学者认为采用大温差水泵节能应按照水泵相似理论计算，即：
N’/N=(W’/W)5/3
式中 W、N——标准温差时水泵流量和功率；
W’、N’——大温差时水泵流量和功率。
这种计算方法前提是假设冷冻水管道按照标准温差设计 [2]，只是在选用冷冻水泵时按照大温差选择。然而实际上空调系统冷冻水管道的设计是采用假定比摩阻法，当管道系统冷冻水流量减少时，其冷冻水管道尺寸也将重新设计。因此，水系统管道阻力特性曲线已经改变，上述方法不能适用。水泵的功率应按下式计算：
N=γWH/η
式中 γ——水的容重；
η——水泵的效率；
H——水泵压头。
对于具体设计来说，管道比摩阻一般取经济比摩阻，系统形式一定的情况下，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，冷冻水泵功率为采用5℃温差时的62.5%，即水泵功率节约37.5%。
3.2 冷水机组能耗
冷水机组的制冷量Ｑ＝ＫＦΔtm，当使用同一台制冷机提供相等制冷量时，冷水机组蒸发器传热面积为定值，则传热系数Ｋ与对数传热温差Δtm成反比。对于标准温差系统其对数传热温差为：
Δtm=（t2-t1）/ln[(t2-te)/(t1-te)]=(12-7)/ln[(12-5)/(7-5)]=4℃
式中 t1，t2，te——分别为蒸发器冷冻水进出口温度和蒸发温度。
对于6／14℃的8℃温差的冷冻水系统，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%。又水侧对流换热系数与水流速度0.8次方成正比，因此，水侧换热系数aw’=(0.625)0.8 aw=0.6866aw。資料显示蒸发器水侧换热热阻为总热阻的35～40%[3] [4]，则总热阻因此增大约为R’=1.173R。为使蒸发器提供相同的制冷量，其传热对数平均温差必须增加，Δtm’=1.173Δtm=1.173×4=4.7℃，即
Δtm’=（t2’-t1’）/ln[(t2’-te’)/(t1’-te’)]=4.7
求解得
te’=4.2℃
可见，由于冷冻水温差增大，制冷机蒸发温度下降了0.8℃。以目前最常用的R22为例，取冷凝温度为40℃，在lgP-H图中计算可知由于制冷剂蒸发温度下降0.8℃，单位制冷量能耗增加1.5%。
3.3 空调风柜运行效率改变
冷冻水温差增大，空调机组冷水流量减少使表冷器换热系数下降，导致冷量下降。解决这一问题通常需要增大表冷器换热面积，即增加表冷器排数或者加大表冷器迎风面面积[2] [5]。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，空调机组价格增加折算成单位风量，约为每万立方米风量 成本增加2500元。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%。
3.4 系统能耗比较
以本工程例，考虑大温差节约冷冻水泵耗电量，同时冷水机组和空调风柜耗电量增加的双重效果，两种冷水温升各动力部分耗电量及年运行费用如下各表。
表1. 冷冻水温升为5℃时系统年运行费用
设备名称 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔 空气处理末端 合计
使用功率（kW） 1956 334 228 75 360 2953
比例（%） 66.2 11.3 7.7 2.5 12.3 100
年运行费用（万元） 443.6 75.8 51.7 17.0 81.6 669.7
表2. 冷冻水温升为8℃时系统年运行费用
设备名称 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔 空气处理末端 合计
使用功率（kW） 1985 206 228 75 403 2897
比例（%） 68.5 7.1 7.9 2.6 13.9 100
年运行费用（万元） 450.2 46.7 51.7 17.0 91.4 657.0
注：表中年运行时间270天，每天运行10小时，电费1.2元/kWh，按70%满负荷运行估算。
由上面的分析可知，改用8℃温差的冷冻水系统运行费用将比标准温升的冷水系统降低12.7万元/年，按大型空调系统使用20年考虑，则其寿命周期运行费用节省254万元。
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%，末端空调机组投资占总投资15%。选用大温差可节约冷冻水系统投资25%左右，而末端空气处理机组投资将上升20%左右。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4.5%左右。
5、结论
超高层建筑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降低吊顶净空需要，提升吊顶标高，增加舒适度。当然，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，合理选择冷冻水温差。
6、参考文献
[1]陶永生，李志浩等.冷水大温差组合式空调机组的研制.见：全国暖通空调制冷2002年学术文集.北京：中国建筑工业出版社，2002，11：252-257 ［C］
[2]殷平.空调大温差研究(4):空调冷水大温差系统经济分析.暖通空调,2001,31(1):68-72 ［J］
[3]周亚素，陈沛霖.空调冷冻水系统大温差设计的能耗分析.建筑热能通风空调,1999,2:18-19 ［J］
[4]许新明,陈诒春等.空调系统冷水大温差运行特性分析.制冷,2001,20(1):71-74 ［J］
[5]寿炜炜.空调用冷水温差的择优探讨.制冷技术,2000,2:5-9 ［J］
【关键词】冷冻水系统；大温差；能耗；初投资；适用性
中图分类号： TU831.3+5 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
在空调系统中，冷冻水和冷却水系统输送能耗往往占系统总能耗的25%左右[1]，因此，降低水系统输送能耗的技术得到广泛的重视，如变频调节、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水量，从而有效的节约冷冻水的输送能耗及冷水系统的投资。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，体现出在超高层建筑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。
2、工程概况
本工程为超甲级综合性办公大楼，占地面积12550m2，总建筑面积127860m2，地下4层，地上38层，建筑高度180米。地下层为汽车库和设备用房；塔裙楼主要为商业、餐饮及办公用房；避难(设备)层设置在九层、二十五层。该工程空调总设计冷负荷冷负荷为10550kw（3000RT）。制冷系统由二台制冷量4220kw(1200RT)的水冷离心冷水机组、二台制冷量1055kw(300RT)的水冷螺杆式冷水机组组成。冷冻水系统采用大温差设计，低区供回水温度为6℃/14℃，高区供回水温度为7℃/15℃，板式热交换器设置在25层。 首层至六层大空间空调区采用集中处理低速送风系统，塔楼办公用房采用VAV空调系统。
图1 塔楼空调水系统图
该工程空调系统的初投资和年运行费用都非常大，合理确定冷冻水温升对减少空调系统初投资和降低年运行费用都起重要作用。
3、不同冷水温差系统运行能耗比较
冷冻水标准供回水温度为7/12℃，典型大温差冷冻水供回水采用6/14℃，温差8℃。本文仅讨论这两种代表性温差。
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冷水流量和管路阻力损失成正比。国内许多学者认为采用大温差水泵节能应按照水泵相似理论计算，即：
N’/N=(W’/W)5/3
式中 W、N——标准温差时水泵流量和功率；
W’、N’——大温差时水泵流量和功率。
这种计算方法前提是假设冷冻水管道按照标准温差设计 [2]，只是在选用冷冻水泵时按照大温差选择。然而实际上空调系统冷冻水管道的设计是采用假定比摩阻法，当管道系统冷冻水流量减少时，其冷冻水管道尺寸也将重新设计。因此，水系统管道阻力特性曲线已经改变，上述方法不能适用。水泵的功率应按下式计算：
N=γWH/η
式中 γ——水的容重；
η——水泵的效率；
H——水泵压头。
对于具体设计来说，管道比摩阻一般取经济比摩阻，系统形式一定的情况下，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，冷冻水泵功率为采用5℃温差时的62.5%，即水泵功率节约37.5%。
3.2 冷水机组能耗
冷水机组的制冷量Ｑ＝ＫＦΔtm，当使用同一台制冷机提供相等制冷量时，冷水机组蒸发器传热面积为定值，则传热系数Ｋ与对数传热温差Δtm成反比。对于标准温差系统其对数传热温差为：
Δtm=（t2-t1）/ln[(t2-te)/(t1-te)]=(12-7)/ln[(12-5)/(7-5)]=4℃
式中 t1，t2，te——分别为蒸发器冷冻水进出口温度和蒸发温度。
对于6／14℃的8℃温差的冷冻水系统，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%。又水侧对流换热系数与水流速度0.8次方成正比，因此，水侧换热系数aw’=(0.625)0.8 aw=0.6866aw。資料显示蒸发器水侧换热热阻为总热阻的35～40%[3] [4]，则总热阻因此增大约为R’=1.173R。为使蒸发器提供相同的制冷量，其传热对数平均温差必须增加，Δtm’=1.173Δtm=1.173×4=4.7℃，即
Δtm’=（t2’-t1’）/ln[(t2’-te’)/(t1’-te’)]=4.7
求解得
te’=4.2℃
可见，由于冷冻水温差增大，制冷机蒸发温度下降了0.8℃。以目前最常用的R22为例，取冷凝温度为40℃，在lgP-H图中计算可知由于制冷剂蒸发温度下降0.8℃，单位制冷量能耗增加1.5%。
3.3 空调风柜运行效率改变
冷冻水温差增大，空调机组冷水流量减少使表冷器换热系数下降，导致冷量下降。解决这一问题通常需要增大表冷器换热面积，即增加表冷器排数或者加大表冷器迎风面面积[2] [5]。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，空调机组价格增加折算成单位风量，约为每万立方米风量 成本增加2500元。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%。
3.4 系统能耗比较
以本工程例，考虑大温差节约冷冻水泵耗电量，同时冷水机组和空调风柜耗电量增加的双重效果，两种冷水温升各动力部分耗电量及年运行费用如下各表。
表1. 冷冻水温升为5℃时系统年运行费用
设备名称 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔 空气处理末端 合计
使用功率（kW） 1956 334 228 75 360 2953
比例（%） 66.2 11.3 7.7 2.5 12.3 100
年运行费用（万元） 443.6 75.8 51.7 17.0 81.6 669.7
表2. 冷冻水温升为8℃时系统年运行费用
设备名称 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔 空气处理末端 合计
使用功率（kW） 1985 206 228 75 403 2897
比例（%） 68.5 7.1 7.9 2.6 13.9 100
年运行费用（万元） 450.2 46.7 51.7 17.0 91.4 657.0
注：表中年运行时间270天，每天运行10小时，电费1.2元/kWh，按70%满负荷运行估算。
由上面的分析可知，改用8℃温差的冷冻水系统运行费用将比标准温升的冷水系统降低12.7万元/年，按大型空调系统使用20年考虑，则其寿命周期运行费用节省254万元。
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%，末端空调机组投资占总投资15%。选用大温差可节约冷冻水系统投资25%左右，而末端空气处理机组投资将上升20%左右。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4.5%左右。
5、结论
超高层建筑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降低吊顶净空需要，提升吊顶标高，增加舒适度。当然，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，合理选择冷冻水温差。
6、参考文献
[1]陶永生，李志浩等.冷水大温差组合式空调机组的研制.见：全国暖通空调制冷2002年学术文集.北京：中国建筑工业出版社，2002，11：252-257 ［C］
[2]殷平.空调大温差研究(4):空调冷水大温差系统经济分析.暖通空调,2001,31(1):68-72 ［J］
[3]周亚素，陈沛霖.空调冷冻水系统大温差设计的能耗分析.建筑热能通风空调,1999,2:18-19 ［J］
[4]许新明,陈诒春等.空调系统冷水大温差运行特性分析.制冷,2001,20(1):71-74 ［J］
[5]寿炜炜.空调用冷水温差的择优探讨.制冷技术,2000,2:5-9 ［J］