冰蓄冷低溫送風空調系統損因素分析

周學麗 李念平 鄒杰

摘要：低溫送風空調系統引進新型冰蓄冷設備，采用正丁烷作為制冷劑，制冷劑與水直接接觸，換熱更強烈且穩定。為了研究該系統相應損因素條件下的節能薄弱環節，實現系統性能優化，基于該系統及各表冷器分析模型，分析了熱濕比、新風比、送風溫差等損因素對系統效率和各表冷器損率的影響。結果表明：當熱濕比變化時，處理二次混風的表冷器損率隨之呈正比變化，其他表冷器損率及系統效率隨之呈反比變化；當新風比變化時，處理新風的兩級表冷器損率隨之呈正比變化，其他表冷器損率及系統效率隨之呈反比變化；當送風溫差變化時，處理一次回風的表冷器損率隨之呈正比變化，其他表冷器損率及系統效率隨之呈反比變化。

關鍵詞：低溫送風空調系統；分析模型；損率；效率；冰蓄冷

中圖分類號： TU831.3

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）02013206

Abstract： An exergy analysis model was developed for a novel ice storage system with cold air distribution and its main surface air coolers. Based on this model， the influence of heat and humidity ratio， fresh air ratio and temperature difference between supply air and indoor air on the exergy efficiency of the system and the exergy loss rate of its surface air coolers was studied. Finally the important parameters for system optimization were identified. The simulation results show that the exergy loss rate of the surface air cooler for secondary mixed air is positively proportional to the variation of heat and humidity ratio， while it is inverse for the other； the exergy loss rate of the surface air coolers for fresh air is positively proportional to the variation of fresh air ratio， while it is opposite for the other； the exergy loss rate of the surface air cooler for primary mixed air is positively proportional to the variation of temperature difference between supply air and indoor air， while it is inverse for the other.

Keywords：cold air distribution system； exergy analysis model； exergy loss rate； exergy efficiency； ice storage.

自從20世紀推廣使用冰蓄冷技術以來[1]，冰蓄冷技術以“移峰填谷”的優勢，成為暖通空調領域炙手可熱的“寵兒”[12]。傳統的冰蓄冷設備采用乙烯乙二醇溶液為制冷劑，制冷劑不與冰水直接接觸，傳熱熱阻高，傳熱效率低；為了滿足制冷要求，需要配備大面積換熱管，運行效率較低[3]。鄒杰[3]研發了一種新型動態冰蓄冷設備，采用正丁烷作為制冷劑，制冷劑與冰水直接接觸，制冰過程中制冷劑帶走熱量將冷水制成冰，融冰過程中依靠冰融化向空調系統供冷；為了更好地將水與制冷劑混合，在冰蓄冷設備中設置移動床等傳動裝置，換熱更加強烈，運行效率更高，控制更加可靠[4]。筆者介紹的低溫送風空調系統引進該新型動態冰蓄冷設備，夜晚利用冷水機組制冰，白天利用冷水機組和冰蓄冷設備分別向空調機組提供7/12 ℃和0/7 ℃的冷凍水，高效實現低溫送風和負荷轉移[5]。但是相關研究發現該系統能量利用效率受到諸如熱濕比、新風比、送風溫差等運行參數的影響，因此，筆者基于能量利用效率進行研究，為優化系統性能及提高系統節能性奠定理論基礎。

能量利用效率研究方法主要有兩種：一是基于熱力學第一定律的熱平衡法，二是基于熱力學第一定律和第二定律的分析法[5]。很多學者基于熱平衡法將典型冰蓄冷低溫送風空調系統與常規溫差空調進行對比研究，認為冰蓄冷低溫送風空調系統送風溫度低、送風量少、運行能耗低、系統整體效益高[68]。殷平[9]對廣州電子車間、商場及北京辦公樓3種不同建筑進行調查研究，采用經濟分析法對比分析了兩種系統的一次投資和運行費用，認為低溫送風系統相對節能，并指出室內熱濕比越小，這方面的效果越明顯。但基于熱平衡法的傳統經濟分析法重在與常規空調系統進行對比研究，只能從數量上評價系統的節能特性，并不能揭示某個部件對系統能量利用率的影響，更不能明確說明熱濕比、新風比、送風溫差等參數將會對哪些部件產生最大影響。分析法著眼于系統本身，將“質”和“量”統一于系統能量利用率分析中，便于發現系統損因素對系統及其部件能量利用率的影響，有助于確定系統適用的最優參數，為改善系統性能指明正確方向[1019]。筆者基于分析法研究熱濕比、新風比、送風溫差等損因素對系統效率和表冷器損率的影響，最終為該冰蓄冷低溫送風空調系統性能優化提供理論依據。

1 分析法概述

2 冰蓄冷低溫送風空調系統的分析模型

冰蓄冷低溫送風空調系統空氣處理流程如圖1所示[5]，空氣處理過程焓濕圖如圖2所示[5]，由圖1和圖2可知，表冷器1是處理新風（狀態點1）的一級表冷器，冷凍水供回水溫度為7/12 ℃，由冷水機組提供；處理新風的二級表冷器是表冷器2，由冰蓄冷系統提供冷凍水，供回水溫度為0/7 ℃，它能夠將表冷器1處理后的新風（狀態點1′）處理到溫度T=38 ℃，相對濕度φ=95%，含濕量d=4.76 g/kg的低溫風（狀態點1″）；一次回風（狀態點2）由變頻風機控制流量，由表冷器3（供回水溫度為0/7 ℃）處理到溫度T=3.8 ℃，相對濕度φ=95%，含濕量d=4.76 g/kg的低溫風（狀態點2′），最終與兩級表冷處理過的新風混合為一次混風，一次混風和二次回風（狀態點2″）混合為二次混風（狀態點3）；二次混風由表冷器4（供回水溫度為7/12 ℃）在干工況下處理到達送風狀態（狀態點4），最終由送風機將送風（狀態點5）送入室內用于消除房間熱濕負荷。

如圖4所示，當熱濕比變化時，系統損失隨之呈正比變化，效率隨之呈反比變化。這就意味著當熱濕比增大，系統損失增多，系統效率降低，而導致系統效率降低的關鍵部件是表冷器4。因此，當熱濕比較大尤其ε>26 000 kJ/kg時，表冷器4是冰蓄冷低溫送風空調系統節能設計的薄弱環節，對系統進行性能優化應當主要針對表冷器4。

3.2 新風比對系統參數的影響

如圖5所示，當新風比變化時，表冷器1和表冷器2的損率隨之呈正比變化，表冷器3和表冷器4的損率隨之呈反比變化，其中表冷器4隨新風比變化最小，表冷器2的損率增大速度較快；當m>20%時，表冷器2的損率遠遠大于其他表冷器，且其他表冷器損率變化平緩。這主要是因為新風的熱濕負荷主要由表冷器1和表冷器2承擔，其中表冷器2承擔的負荷較多，表冷器2損率變化也就越顯著。

4 結論與展望

1）當熱濕比、新風比、送風溫差變化時，冰蓄冷低溫送風空調系統損失隨之呈正比變化，系統效率隨之呈反比變化。這就意味著當該系統應用于熱濕比、新風比、送風溫差都較?。处?lt;26 000 kJ/kg且m<20%且Δt<8 ℃）的實際工程時，該系統效率較高，系統節能性顯著；當該系統應用于熱濕比、新風比、送風溫差偏大（即ε>26 000 kJ/kg或m>20%或Δt>8 ℃）的實際工程時，該系統效率較低，應當針對相應損因素條件下的節能薄弱環節進行性能優化。

2）當熱濕比變化時，處理二次混風的表冷器損率隨之呈正比變化，其他表冷器損率隨之呈反比變化。這意味著當熱濕比偏大，尤其ε>26 000 kJ/kg時，處理二次混風的表冷器是導致系統效率較低的薄弱環節，此時，要使系統效率及節能性提高，應當針對該表冷器對冰蓄冷低溫送風空調系統進行性能優化。

3）當新風比變化時，處理新風的兩級表冷器損率隨之呈正比變化，其中處理新風的二級表冷器損率變化顯著，其他表冷器隨之呈反比變化。這意味著當新風比偏大尤其m>20%時，處理新風的二級表冷器是導致系統效率較低的薄弱環節，此時，要使系統效率及節能性提高，應當針對該表冷器對冰蓄冷低溫送風空調系統進行性能優化。

4）當送風溫差變化時，處理一次回風的表冷器損率隨之呈正比變化，其他表冷器損率隨之呈反比變化。這意味著當送風溫差偏大尤其Δt>8 ℃時，處理一次回風的表冷器是導致系統效率較低的薄弱環節，此時，要使系統效率及節能性提高，應當針對該表冷器對冰蓄冷低溫送風空調系統進行性能優化。

5）筆者的分析計算依據來源于冰蓄冷低溫送風空調系統設計工況，對于非設計工況的系統性能優化具有指導意義，而與非設計工況的對比研究有待開展。

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（編輯 胡英奎）