大溫差冷卻水對冷水機組性能的影響研究

湯繼保

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著社會經濟的迅速發展，空調系統為人們的工作生活帶來了舒適的環境，成為了當前人們現代化生產生活中的必需品，同時空調系統也成為大型建筑物中能耗比例最高的設備。而在空調系統運行中，冷卻水系統作為重要部分，并且在運行過程中對資源能源消耗較大，降低冷卻水系統能耗對空調系統節能具有重要意義。

常規中央空調的冷卻水系統一般采用冷卻塔加冷卻水泵的方式，利用冷卻塔來降低循環冷卻水的溫度。常規的空調冷卻水系統采用32 ℃/37 ℃設計（溫差為5 ℃），大溫差冷卻水系統（溫差為6～10 ℃）從冷卻水系統改進，分析大溫差冷卻水對冷水機組的主要性能影響，實現冷水機組運行過程中能夠實現能源節約，同時不會影響冷水機組性能正常運行。通過大溫差冷卻水對冷水機組主要性能以及對冷卻水泵等的影響分析，從地區適用性等方面探討了使用自然冷源大溫差冷卻水空調系統具有可行性，長期使用可以產生較明顯的經濟效益，為空調系統的設計提供借鑒。

1 大溫差冷卻水對冷卻水泵的影響理論分析

在研究大溫差冷卻水對冷卻水機組性能影響時，首先分析大溫差冷卻水對空調系統冷卻水泵的影響，這也是基于冷卻水泵在整個冷水機組性能影響中的重要性而出發的。水泵的流量G 和功率N 計算見式（1）和式（2）。

其中，Q 為系統的總冷負荷，C 為水的比熱容，ρ 為水的密度，Δt 為冷卻水的供回水溫差，g 為自由落體加速度，H 為水泵的揚程，η 為水泵的效率，1.1 為水泵流量的附加系數。

根據式（1），在總冷負荷相同的情況下，如果使用溫差為6～10 ℃的冷卻水，則冷卻水的流量將比采用傳統5 ℃溫差減少16.7%～50%，整個冷卻水泵的功率也會出現降低。在現今常規空調系統中，冷卻水系統的組成主要分為水系統管路、冷凝器和冷卻水泵以及冷卻塔等部分。在設備實際布置中，一般冷卻塔常常布置在房屋建筑的頂部，冷卻水管路較長，管路阻力較大，因此冷卻水泵的揚程也較高。而使用溫度較低的一次冷卻水系統，冷卻水系統的設置簡單，不存在冷卻塔等部件，此種運行情景下，大溫差冷卻水系統對冷卻水泵的運行要求則會降低，即使在降低冷卻水流量減小水泵揚程后，冷卻水泵仍可以滿足實際的運行需求。

2 大溫差冷卻水對冷水機組的性能影響分析

2.1 理論分析

目前，國內外對空調機組性能進行評價主要有以下幾個指標，分別是EER（Energy Efficiency Ratio，能效比）、SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio，季節能效比）、COP（Coefficient Of Performance，制冷系數）、IPLV（Integrated Part Load Value，綜合部分性能系數）和APLV（Application Part LoadValue，部分負荷應用值）。對冷水機組的實際性能進行評價目前普遍采用的是使用COP 這個性能指標。COP 是一個綜合經濟指標，就是機組制冷量與機組能耗之比，其值越高說明冷水機組運行的經濟性越好，反之則越差。以此在研究大溫差冷卻水對冷水機組性能影響分析中主要借助制冷系數即COP 進行理論上的分析。

首先從冷卻水溫差對冷凝換熱器的影響進行分析，換熱器的傳熱方程為：

式中 K——冷凝器傳熱系數，W/（m2·℃）

A——冷凝器傳熱面積，m2

Δtm——冷凝器冷卻水對數平均溫差，℃

t0——冷凝溫度，℃

t1——冷卻水出口溫度，℃

t2——冷卻水進口溫度，℃

同一冷水機組當冷凝器側換熱量一定時，隨著冷卻水溫差的逐漸增大，冷卻水流量隨之降低，冷凝器的傳熱系數隨著冷卻水流量的變化而變化，QLN=QLN′，則。其中，R 和R′不同冷卻水流量時冷凝器傳熱熱阻，（m2·℃）/W。

冷凝器傳熱熱阻R 包括制冷劑側熱阻、冷卻水熱阻、污垢熱阻、管壁熱阻等。對于同一換熱器，當冷卻水流量變化時，只有冷卻水側熱阻變化，其余熱阻均基本保持不變。

冷卻水傳熱系數與水流速的對應關系為：

式中α——冷卻水側傳熱系數，W/（m2·℃）

υ——冷卻水流速，m/s

當換熱量不變時，冷卻水流量與冷凝器冷卻水進出口溫差成反比，對于相同的冷凝器，水流量與流速成正比，則水側熱阻與冷卻水進出口溫差的關系為其中，Rw、Rw′分別為不同流量時冷凝器水側熱阻，（m2·K）/W。

對于管殼式冷凝器，在冷卻水進出口溫差改變的情況下，制冷劑側熱阻、污垢熱阻、管壁熱阻基本不變，主要變化量是冷卻水熱阻，冷卻水熱阻約占整個冷凝器熱阻的35%～40%，取其所占比例為37.5%進行計算，大溫差冷卻水時冷凝器的總傳熱熱阻為

因此整理后可得：

結合上式進行計算，圖1 為進水溫度為22 ℃、24 ℃、26 ℃、28 ℃、32 ℃，進出水溫差在5～15 ℃時的冷凝器冷凝溫度變化曲線圖。

圖1 冷卻水進出口溫差與冷凝溫度變化關系

由圖1 可以看出，隨著冷卻水進出口溫差不斷增大，冷凝器冷凝溫度也在不斷提升。冷卻水進水溫度恒定時，隨著冷卻水進口溫度差不斷增大，冷水機組的制冷劑的冷凝溫度也出現升高的現象。對于冷水機組性能來講，制冷劑冷凝溫度的變化對整個冷水機組的運行有較大的影響。

如圖2 所示，假設蒸發溫度不變，當冷凝溫度由tk升高到時，制冷循環由“1—2—3—4—1”變為“1—2′—3′—4′—1”。單位制冷量q0=h1-h4=h1-h3，當tk升高時，h3增加，因此（h1-h3）減小，理論比功w0=h2-h1，當tk 升高到tk'時，壓縮比增加，h2增加到h'2，w0隨tk 的升高而增加，tk升高時，q0降低，w0升高，因而制冷系數COP 下降。

2.2 假定運行工況分析

對大溫差冷卻水對冷水機組性能影響，根據實際運行工況進行假定分析。假定冷水機組制冷量恒定，根據冷卻水流量的變化狀況進行具體分析。運行工況1，假定冷水機組冷卻水進口溫度不變，出口溫度發生變化，冷卻水流量也出現變化。運行工況2，假定冷水機組冷卻水進口和出口溫度都出現變化，但變化是相同幅度，即在溫差相同下整個冷卻水的流量不會出現變化。

圖2 冷凝溫度變化時制冷循環的變化

運行工況1 分析，將冷卻水出口溫度變化控制在25～37 ℃，根據上面分析，冷卻水的流量與其進出口溫差呈反比關系，即冷卻水進出口溫差越大，其流量就會變得越小。隨著冷卻水進水溫度不斷降低、出水溫度不斷升高，那么整個冷卻水流量則會降低（圖3）。

圖3 冷卻水出水溫度與其流量的關系

圖4 為運行工況1 冷卻水進出口溫差與機組COP 的關系：在冷卻水進水溫度恒定的狀況下，如果冷卻水出水溫度增大，則整個冷水機組的COP 會降低，但所需的冷卻水流量減??；如果進出水溫差不斷減小，則整個冷水機組的COP 不斷增大，但冷卻水流量也呈現出上升的趨勢。

圖4 運行工況1 冷卻水進出口溫差與COP 的關系

其次，針對運行工況2 進行分析，在冷卻水進出口溫差控制在特定范圍內，保證整個冷卻水流量恒定的情景下，對相同進出水溫差狀況下空調機組制冷性能系數進行分析。圖5 為運行工況2 冷卻水的進口溫度與機組COP 的變化關系，由圖可得，相同冷卻水進出口溫差和流量恒定條件下，冷卻水溫度越低，整個空調機組的制冷性能系數越高，即空調機組的制冷性能越好。如果在冷卻水進水溫度恒定條件下，進出口溫差不斷增大，那么整個冷卻水流量將會降低，整個空調機組的制冷性能則會降低。因此，理論上使用溫度較低的冷卻水，可以通過增大進出口水溫差的方法達到較好的制冷效果。

圖5 運行工況2 冷卻水的進口溫度與COP 的關系

3 不同水源情景下大溫差冷卻水對冷水機組性能影響分析

為了進一步分析大溫差冷卻水對冷水機組性能影響，通過深井水和江河水兩種不同的自然水源作為一次冷卻水進行分析。通過試驗測定發現，我國溫和地區夏季氣候條件下，深井水的水溫為19～24 ℃，而江河水的溫度為22～31 ℃，兩種水源測量溫度均比空調機組冷卻塔所使用的冷卻水水溫低。而對于深井水來講，深井水的溫度比較穩定，不會受到外部環境的影響，而江河水的水溫變化會受到外部環境變化，取水深度、補給水等的影響，江河水的水溫會出現較大的波動變化。

借助以上深井水和江河水進行試驗分析：將深井水用作為冷水機組的冷卻水時，其進出口溫差可達到10 ℃，實際測定冷水機組的制冷性能系數達到了6 左右，大大高出冷水機組的額定制冷系數值。將江河水作為冷水機組的冷卻水時，由于江河水溫度會隨外部環境等因素的影響不斷出現變化，在外部環境溫度較高的情景下，整個冷水機組的制冷性能系數可大到或者略高于額定值；而在江河水溫度較低的情景下，空調機組的制冷性能系數則會提高，且提高范圍能夠達到6 左右。整體而言，冷卻水使用水源的溫度越低，整個制冷性能系數則越高。

在針對深井水和江河水溫度測定基礎上，進一步明確如果使用深井水作為冷水機組的冷卻水，則要求打井地點距離供冷建筑物較近，且要求該地區地下水資源豐富。如果使用江河水作為冷水機組的冷卻水，則要求江河水取水口與供冷建筑盡量接近，取水口距離水面要有一定的深度，同時輸送管道也需采取一定的保溫措施，否則江河水的水溫則會上升，影響冷水機組制冷性能系數。

4 結束語

綜上所述，在針對大溫差冷卻水對空調機組制冷性能影響分析基礎上，能夠得出冷卻水的進口溫度越低，冷水機組的COP 值越高，大溫差小流量冷卻水系統能夠對提高冷水機組的能效比起到積極作用，即使冷卻水的進口溫度較高時，大溫差冷卻水系統的制冷性能系數也接近常規空調系統的額定值，而由于大溫差冷卻水系統的冷卻水泵運行能耗降低，同時節省了冷卻塔能耗，大溫差冷卻水系統具有節能優勢。在近水源地或水資源豐富的地區，采用深井水、江河水等自然冷源的大溫差冷卻水空調系統具有節能優勢，具有一定的推廣前景。