蒸發式冷凝機組的性能分析

朱金鳴 曾振威

蒸發式冷凝機組的性能分析

朱金鳴1曾振威2

1江蘇省蘇中建設集團股份有限公司上海建筑設計分公司
2深圳市拓普威機電設備工程有限公司

通過對蒸發式冷凝機組和水冷機組的制冷性能和耗水分析，認為蒸發式冷凝機組在小冷量（≤528kW）區間內的系統效率占有優勢，在大冷量（＞1163kW）區間則水冷機組系統占優。兩者均基于水的蒸發散熱則兩者的冷卻水蒸發量應該一致，但蒸發冷凝機組的飄逸和排污損失大于常規的冷卻塔，導致前者的耗水量更大。

蒸發式冷凝機組水冷機組制冷性能耗水

0 引言

蒸發式冷凝器以水和空氣作為冷卻介質，利用水的蒸發潛熱帶走汽態制冷劑的冷凝熱。與通過顯熱交換帶走冷凝熱的風冷機組相比，它有效降低了冷凝溫度而獲得較高的制冷效率。而與水冷冷凝器相比，由于將冷凝器和冷卻塔合二為一，省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段，整體換熱效率提高，也能降低冷凝溫度，且節約了冷卻泵和冷卻塔的能耗。綜合以上幾點，從系統上分析蒸發式被認為是最高效和最節能的冷凝方式而獲得專家和用戶的青睞。

通過對一些廠家的技術參數進行了一系列分析與比較，筆者認為在大冷量區間內目前蒸發冷凝系統的整體能耗還是比常規的水冷機組差，這個可能是由于雖然解決了冷凝器的問題，但在機組其它組件如壓縮機、蒸發器、節流裝置及其控制系統還存在很大的優化空間與提高。

1 對水冷機組和蒸發冷凝機組制冷性能的分析

[1]列出了兩者機組的主要性能數據如表1。

表1 水冷機組和蒸發冷凝機組制冷性能比較

參照某廠家R134a型WSCZ系列蒸發式冷凝螺桿冷水機組的樣本，在300～1760kW的范圍內，其系統COP在4.40～4.51之間，平均約為4.45左右，與表1中的數據比較吻合。那么其主機本身的平均COP（略去冷卻系統）應為1/(1/4.45-0.014)=4.746。

以表1中水冷式機組系統COP在3.2～3.8為基礎，則主機本身的COP在1/(1/3.2-0.038)=3.643與1/(1/3.8-0.038)=4.441之間。參照GB19577-2004《冷水機組能效限定值及能源效率等級》，在小于528kW的冷量區間，該效率高值約等于3級能效，低值甚至低于5級能效；在大于528kW至1163kW的冷量區間，其高值略高于4級能效（5.3），而低值遠遠低于5級能效；在冷量大于1163kW的區間，高值介于4級與5級之間，低值也遠遠低于5級能效。它們無法滿足GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》規定的大于1163kW螺桿機組所需的最低能效標準（4.6），高值勉強高于528～1163kW所需的4.3，稍高于528kW機組所需的4.1。

因此，很顯然，就目前市場銷售的螺桿主機而言，其本身的性能系數COP被嚴重低估，用于產品或系統性能比較比較則失去其合理的基礎。

目前為滿足GB19577的節能產品要求，冷水機組的性能系數至少應達到2級，其限值分別為4.7（冷量≤528kW），5.1（528<冷量≤1163kW），5.6（冷量> 1163kW）。另外參照GB 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組第1部分：工業或商業用及類似用途的冷水（熱泵）機組》，單位冷量的冷卻水流量為0.215m3/(h·kW)。再依據GB7190.1-2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔第1部分：中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔》規定的耗電比不大于0.035kW/(m3/h)，則單位冷量的冷卻塔耗電為0.0215×0.035=0.007525。而單位冷量的冷卻水泵耗電，由于大部分的項目的冷卻水泵安裝功率基本與冷凍水泵持平，則參照GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》規定允許的空調冷水管道的最大輸送比為0.0241，則水冷機組的單位冷量的冷卻水泵和冷卻塔耗電為0.0241+0.007525=0.031625。以此為基礎，水冷機組的系統COP分別為1/(1/4.7+ 0.031625)=4.092（冷量≤528kW）、1/(1/5.1+0.031625)= 4.392（528<冷量≤1163kW）、1/(1/5.6+0.031625)=4.757（冷量>1163kW）。

因此從上面分析中可以看出，2級能效水冷機組與蒸發式冷凝機組相比：

1）在冷量小于528kW的區間內，水冷機組本身的效率與蒸發器冷凝冷水機組基本一致，但其系統效率低約8%。

2）在冷量介于528kW與1163kW的區間內，水冷機組本身的效率與蒸發器冷凝冷水機組高7.5%，但兩者的系統效率基本一致。

3）在冷量大于1163kW的區間內，水冷機組本身的效率與蒸發器冷凝冷水機組高18%，系統效率高出6.9%。

4）就機組本身效率而言，蒸發式冷凝機組并沒有體現出冷凝溫度低2℃所獲得的優勢，其系統效率主要獲益于冷卻水系統的能耗降低，但在大冷量區間，其整體效率低于水冷式機組。

5）任何冷量區間都無法達到其宣稱的“蒸發式冷凝機組系統比水冷機組節能15%”的效果[1，2]。

6）如果采用高效的水冷機組，則蒸發式冷凝機組的主機效率和系統效率與水冷主機的差距將更大。

2 對蒸發式冷凝機組節水的分析

關于蒸發式冷凝機組的耗水量，存在著兩者兩種截然不同的說法。文獻[2]認為“蒸發式冷凝器屬于耗水設備”，其循環水量與5℃溫差的冷卻塔基本相當，而其耗水量則為冷卻塔的4.3倍。而文獻[1]與[3]則認為蒸發式冷凝器的循環水量僅為冷卻塔的45%～50%，而耗水量僅為冷卻塔的5%～10%[4]。

在文獻[5]中列出常規冷卻塔中設計工況下每7K溫差時水的蒸發量約為冷卻水流量的1%，而國內一般設計為5℃溫差，則蒸發損失為0.714%，飄逸損失為0.001%～0.005%，兩者相加為0.715%～0.719%，每kW所需的冷卻水流量為0.215m3/h，因此常規冷卻塔的耗水量大致為0.0015m3/h·kW。

而參照同樣的蒸發式冷凝機組樣本，每kW冷量的平均補水量為0.0014m3/h，按照文獻[2]與[4]，蒸發1kg的水能帶走2450kJ的熱量，則0.0014m3/h補水的散熱能力為0.0014×1000×2450/3600=0.953kW，即使不考慮其他損失，很顯然也是不足的。實際上，按照之前的計算，蒸發式冷凝機組每kW冷量所需的散熱量為1/COP+1=1/4.746+1=1.211kW，因此其補水量應不少于0.0018m3/h。ASHRAE[5]認為每kW冷量的蒸發量為0.5～0.6mL/s（0.0018～0.0022m3/h，前者用于空調，后者用于冷凍，后同）。再加上其他排污及飄逸損失，約占蒸發量的1/4～1/2，因此總的耗水量為0.6～0.9mm3/J（0.0022～0.0032m3/(h·kW)）。

本文認為，蒸發式和水冷式均通過水的蒸發潛熱排走熱量，冷量相同的情況下，則水的絕對蒸發量應該是一致的（此時沒有考慮機組COP對排熱量的影響）。但從前面的計算可以看出蒸發冷凝機組的飄逸和排污損失要大于常規的冷卻塔而導致其耗水量更大。因此文獻[2]指出“蒸發式冷凝器實際耗水量約為一般水冷式冷凝器的5%～10%”“表面上是正確的，但實際上稍加分析就會發現這是一種錯誤的觀點。冷卻塔中的那1kg水是循環量而不是消耗量。而蒸發式冷凝器中的那1kg水卻是消耗量”。而且由于蒸發式冷凝器的水循環量小，其相對補水量反而更大，如果采用通過導電率或雜質濃度來控制補水的話，則補水系統的反應要更迅速。因此相對而言由于蒸發速度快也更容易結垢，且常年運行在潮濕環境中更容易腐蝕[6]。

3 結論

1）雖然理論上蒸發式冷凝器可以有效降低冷凝溫度，但分析發現主機本身的制冷性能沒有獲得理想中的提升，這個可能是制冷系統的其他部件沒有優化匹配所導致；

2）在小冷量區間蒸發式冷凝機組的系統效率優于2級能效水冷機組系統；

3）大冷量區間2級能效水冷機組本身和系統效率均優于蒸發式冷凝機組；

4）兩者冷卻水的蒸發量冷均基于水的蒸發潛熱，應該是一致的。但蒸發冷凝機組的飄逸和排污損失大于冷卻塔而導致其耗水量更大。

參考文獻

[1]吳允昌.蒸發式冷凝機組在地鐵車站的應用分析[J].都市快軌交通,2012,25(8):119-122

[2]李軍.蒸發式冷凝器的應用分析[J].制冷與空調,2009,9(3): 33-35

[3]劉長鳴.蒸發式冷凝技術在地鐵工程中的應用分析[J].制冷與空調,2013,27(4):339-342

[4]朱冬生,劉飛龍,周璇,等.蒸發式冷凝空調系統的節能節水分析[A].見:中國制冷協會2007學術年會?創新與發展[C].2007

[5]ASHRAE.2012 ASHRAE Handbook:Heating,Ventilating,and Air-Conditioning Systems and Equipment[S].Atlanta:ASHRAE, 2012

[6]李林林.蒸發式冷凝器應用于地鐵工程的適用性淺析[J].中國新技術新產品,2010,17:104-105

Pe rform a nc e Ana lys is on Eva pora tive-c onde ns a tion Chille r

ZHU Jin-ming1,ZENG Zhen-wei2
1 Shanghai Architectural Design Branch,Jiangsu Suzhong Construction Group Co.,Ltd.
2 Shenzhen Tuopuwei Electrical Equipment Engineering Co.,Ltd

Analyses the COP and water-consumption for evaporative-condensation chiller and water cooled chiller, presents evaporative-condensation system will have a better efficiency than water cooled one for a chiller capacity less than 528kW,it will become reverse for a chiller capacity larger than 1163kW.The evaporation rate will be equal as heat is rejected through water evaporation on both type of chiller,but water-consumption will be larger for evaporative condensation chiller which holds more drift and blowdown loss.

evaporative-condensation chiller,water cooled chiller,COP,water-consumption

1003-0344（2014）06-073-3

2013-12-18

朱金鳴（1958～），男，大學，高工；上海市永和路318弄4號（200072）；021-66058950-1006；E-mail:zhujm0831@126.com