溫濕度獨立控制空調系統中三種高溫冷源的分析研究

■張競予，強天偉，孫 婧 ■西安工程大學，陜西 西安 710048

溫濕度獨立控制空調系統需要的冷源溫度遠高于常規空調系統［1］，由于不承擔除濕的任務，冷水溫度可以從常規系統的5～7℃提高到16～18℃，這就為很多自然冷源的使用提供了條件，如通過土壤源換熱器獲取冷水、在某些干燥地區通過直接蒸發冷卻或間接蒸發冷卻方式獲取冷水等。當自然冷源無法利用時，可通過人工即機械制冷方式滿足溫度控制系統的冷源需求。本文選取常規制冷機組、高溫制冷機組和蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組三種冷源進行分析。

1 常規制冷機組

在相同的冷凝溫度條件下，隨著蒸發溫度的提高，逆卡諾循環的COP 顯著升高。溫濕度獨立控制空調系統只需制備16～18℃的冷水即可滿足室內溫度控制的要求，與制備7℃冷水的常規制冷機組相比，制冷機組的蒸發溫度明顯升高。當冷凝溫度均為37℃時，常規低溫出水工況下逆卡諾循環的COP 為9，而在高溫出水工況下，逆卡諾循環的COP 可達到13，遠高于低溫出水工況的冷機性能系數。

常規制冷機組的額定出水工況為5～7℃，若將其直接運行在16～18℃的高溫出水工況會對機組產生以下影響:(1)當冷凝溫度不變，蒸發溫度提高后，制冷循環的壓縮比顯著降低，對螺桿式和渦旋式等固定內容積的壓縮機，會導致較大的過壓縮損失。(2)當蒸發溫度升高時，對吸氣容積固定的壓縮機，系統制冷劑流量增加，系統容量也同比增加，這就要求蒸發器、冷凝器的換熱量增大。而過大的系統容量將導致供需失配和壓縮機電機的過載，影響制冷機的安全運行。(3)系統壓差的減小和壓縮機制冷劑流量的增加，需要系統的膨脹閥開度顯著增加;如果采用常規低溫冷水系統原有的膨脹裝置用于生產高溫冷水，將導致制冷系統過熱度增大，系統效能不能全面發揮。此外，冷凝器與蒸發器之間的壓縮比降低，將影響制冷機組的回油。

綜上，出于對機組安全運行的考慮，常規制冷機組一般限定冷凍水出口溫度不高于12～14℃，難以在高溫出水工況下保持較優的性能。

2 高溫制冷機組

高溫制冷機組產生16～18℃的高溫冷水，其最大的特點是使機組處于小壓縮比工況下運行，例如對離心式壓縮機可通過調節入口導葉并調節壓縮機轉速來滿足要求。對于常規制冷機組而言，當冷凝溫度tk 為36～40℃，蒸發溫度t0 為3～5℃時，R22 蒸汽壓縮式制冷機組的壓縮比為2.3～2.8;如果取t0 為14～16℃來設計高溫制冷機組，R22機組對應的壓縮比降為1.7～2.0。

此外，在小壓縮比下，節流裝置前后的冷媒壓差顯著減小，需要較大容量的節流裝置在小工作壓差下依然能保持很好的調節性能;蒸發器和冷凝器應選擇大容量、高效換熱器，可以從提高換熱系數或增加傳熱面積方面提高蒸發器和冷凝器的傳熱能力;回油系統應保證在小壓縮比的工況下，系統能實現可靠的回油。

選取兩臺額定冷量為4000kw 的格力機械制冷機組為例進行對比分析。

由表可得，當常規制冷機組直接用于制取高溫冷水時的性能要明顯低于經過優化設計的高溫制冷機組。常規制冷機組在制取16℃和18℃冷水的的COP 分別為6.80 和7.05，而經過優化設計的高溫制冷機組運行在這兩種工況下的性能分別提高了26%和30%，機組性能得到明顯改善。

表1 兩種機組在不同出水溫度時的性能測試結果

3 蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組

該機組可以充分利用室外干空氣能來達到節能的目的，在中濕度地區夏季采用蒸發冷卻技術制取的高溫冷水并不能達到溫濕度獨立控制空調系統中16～18℃高溫冷水的要求，所以將其與機械制冷結合起來，即利用蒸發冷卻制取的高溫冷水與機械制冷制取的7℃冷水混合來得到滿足顯熱末端溫度控制要求的冷水［2］。機組結構如圖所示。

圖1 蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組結構圖

當在室外空氣狀態下用蒸發冷卻技術制取的高溫冷水大于16～18℃不能滿足要求時，同時開啟蒸發冷卻段與機械制冷段，將兩種不同溫度的冷水按照一定比例混合來得到16～18℃的高溫冷水。

而當室外空氣狀態滿足要求即只需開機組的蒸發冷卻段就能制取滿足要求的高溫冷水時，則關閉機械制冷段，像在中等濕度地區的過渡季節大部分時間僅需開啟蒸發冷卻段就可制取18℃以下的冷水。

查《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》，根據西安地區的室外氣象條件統計6、7、8、9 月份制取18℃冷水時機組的運行情況，得機械制冷段和蒸發冷卻段同時運行的時間占總運行時間的56.9%;僅運行蒸發冷卻段的時間占總運行時間的43.1%。

以西安某建筑為例對蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組進行設計計算［2］，將計算結果列于下表。

表2 蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組的能效比分析

整個運行期的COP=4.3 ×56.9% +13.4 ×43.1%=8.22

由上表可得，蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組在兩種運行模式下，機組的能效比都要遠大于常規制冷機組的能效比，在蒸發冷卻段與機械制冷段同時運行時該機組相對于常規制冷機組能效比提高了43.8%，而在蒸發冷卻段單獨運行時其能效比甚至提高了3 倍多。室外氣象條件允許蒸發冷卻段單獨運行時間占整個空調運行期的比例越大，整個機組的能效比越高，節能性越好。

4 結論

本文對三種溫濕度獨立控制空調系統中的高溫冷源做了分析，常規制冷機組系統由于受到機組各部件的限制并不能在高溫出水工況下保持較優的性能。高溫制冷機組對壓縮機及機組各部件進行改進，制取高溫冷水時機組的能效比得到很大提高。

由于蒸發冷卻技術是利用自然資源干空氣能來制冷，其節能性必然遠高于常規制冷機組，所以在中濕度地區充分利用室外干空氣能采用蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組作為溫濕度獨立控制空調系統的高溫冷源，具有很大的節能潛力。

［1］劉曉華，江億，張濤.溫濕度獨立控制空調系統［M］.北京:中國建筑工業出版社，2013:137，147 -153.

［2］孫鐵柱.蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組的研究［D］.西安:西安工程大學，2009.