離心式冷水機組大溫差設計運行特性的實驗研究

周 宇 卓明勝 張龍愛

(珠海格力電器股份有限公司 空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070)

在大型工、商業公共建筑中，暖通空調系統運行能耗通常占整個建筑能耗的60%以上[1-2]，降低空調系統能耗是建筑節能的關鍵所在。常規的中央空調系統，冷凍供回水通常采用5 ℃溫差設計，不僅水系統管路、泵體、閥件成本較高，管網輸送能耗約占整個空調系統能耗的25%[3-4]。若采用大溫差小流量的設計方法，將有助于解決上述問題，實現很好的節能效果，尤其適合管網輸送半徑較大的高大空間型公共建筑。

近年來，大量的研究結果表明，空調冷凍水系統大溫差設計具有可行性、可靠性和經濟性[5-9]，加大冷凍水的供回水溫差設計，將有助于降低水泵揚程及管網輸配耗電，整個空調系統能耗將隨之減小，從而實現空調系統的整體優化。但針對冷凍水大溫差設計對冷水機組設備本身效率的影響，研究結論則不盡一致，對設備在大溫差下優化設計方面的報道較少，普遍認為應該以工程的實際情況綜合考量[10-12]。本文將結合理論分析研究大溫差設計對冷水機組運行特性的影響，并在雙系統串聯、逆流設計的機組方案基礎上，通過對某型號離心式冷水機組的實際測試，提出一種優化的系統設計方案，為大溫差空調系統設計提供參考。

1 大溫差對換熱效率影響的理論分析

對于目前大型離心式冷水機組廣泛采用的水冷殼管式蒸發器，其換熱量的基本公式為：

Q=K×F×LMTD

(1)

式中：K為蒸發器的總傳熱系數，kW/(m2·K)；F為蒸發器總換熱面積，m2，對某一確定機組為定值；LMTD為蒸發器對數平均溫差，K。

蒸發器的總傳熱系數為：

(2)

式中：kw為蒸發器水側傳熱系數，kW/(m2·K)；fe為蒸發器污垢熱阻，(m2·K)/kW；δ為蒸發器換熱管壁厚，m；λ為換熱管導熱系數，kW/(m·K)；kf為蒸發器制冷劑側傳熱系數，kW/(m2·K)。

本文實驗選取某換熱管廠家名義外徑為19.05 mm、內徑為17.12 mm的高效蒸發管，銅管導熱系數取廠家推薦值λ=339 W/(m·K)，則銅管的導熱熱阻為：

=2.846 6×10-6(m2·K)/W

污垢熱阻按照國標設計規范選取，即蒸發器側污垢系數fe取0.018 (m2·K)/kW

冷水機組蒸發器制冷劑在管外側沸騰換熱，在給定制冷量Q(kW)，即熱流密度q0(kW/m2)條件下，制冷劑側傳熱系數為定值，可按照如下經驗公式計算：

kf=a1q03+a2q02+a3q0+a4

(3)

式中：a1、a2、a3、a4由換熱管廠家提供，本文中分別取值1.443 9×10-10、2.222 3×10-5、1.093 7、2 320.7。

隨冷凍進出水設計溫差改變，銅管導熱熱阻、污垢熱阻和制冷劑側傳熱熱阻并不隨溫差及水流量而變化，對既定換熱器而言基本維持一定值。水流量變化帶來的流速變化，主要影響水側傳熱熱阻1/kw，其中kw為水側傳熱系數[14]：

(4)

式中：αw為經驗系數，按換熱管廠家推薦取0.071；cw為水導熱系數，由平均溫度計算得到，kW/(m·K)；di為換熱管內徑，m；Re為水側雷諾數；Pr為平均溫度下水側普朗特數；λw為平均溫度下水的運動黏度，m2/s；λe為管壁溫度下水的運動黏度，m2/s；

通過模擬計算得到不同熱流密度、不同水流速下總傳熱系數K的變化規律，以及換熱管內外熱阻占比情況分別如圖1、圖2所示。

圖1 總傳熱系數隨水流速的變化Fig.1 Variation of the total heat transfer coefficient with the water velocity

圖2 換熱熱阻占比隨水流速的變化Fig.2 Variation of the proportion of heat transfer resistance with water flow rate

由上述分析計算可知，當冷凍出水溫度恒定(以7 ℃為例)時，隨著設計進出水溫差的增大(亦即隨著管內水流速的降低)，蒸發器的傳熱熱阻主導將逐漸轉移至管內水側，水側換熱效果逐漸惡化，導致蒸發器總的傳熱系數隨之減小。因此，優化冷凍水系統大溫差設計下冷水機組的性能，主要在于強化蒸發器水側的設計。

2 大溫差離心式冷水機組實驗分析

2.1 實驗方案

提高制冷劑蒸發溫度，可以提升冷水機組的能效，基于此在冷凍水系統大溫差設計下，采用兩臺冷水機組進行蒸發器側串聯運行設計[15-16]：一方面提高水側流速，強化換熱；另一方面，上游機組出水因位于進出水大溫差的中間溫度，蒸發溫度也將顯著提高，從而提升整個系統的效率。

基于冷水機組串聯運行的設計思想下，將兩臺機組進行模塊化組合，并使冷凝器同樣形成串聯、逆流運行，設計一種專用于冷凍水大溫差(17/7 ℃)的測試樣機，樣機名義制冷能力為4 922 kW，由兩臺相同的2 461 kW離心式冷水機組子系統模塊化構成，兩臺子系統的制冷劑側獨立，水側則形成串聯逆流布置形式。其中，每個子系統的蒸發器水側可通過水室端蓋、隔板調整，進一步實現子系統內部單、雙流程兩種對比方案，如圖3所示。

圖3 實驗樣機系統方案Fig.3 Experimental prototype system scheme

2.2 實驗裝置

實驗裝置依據標準GB/T 18430.1—2007《蒸氣壓縮循環冷水(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》[17]所規定的液體載冷劑法建立，機組蒸發器側制冷量測定和冷凝器側熱平衡校核分別采用液體載冷劑法和熱平衡法，原理如圖4所示。

圖4 實驗裝置原理Fig.4 Principle of experimental device

因沒有實際末端熱負荷消耗機組制冷量，實驗臺采用兌水泵將一定量的冷卻水兌入冷凍水系統，提升冷凍水溫度，中和機組冷負荷，使實驗工況可以維持穩定，兌水泵的轉速直接取決于測試樣機工況運行穩定時的制冷量大小。

因水力平衡，同流量的冷凍側低溫水將返回冷卻水系統，降低冷卻進出水溫度，但并不足以完全抵消機組冷凝熱，超出的熱量(等于機組的輸入功率)則由混合水箱中的冷水來中和，混合水箱自身則通過帶冷卻塔的獨立冷卻系統來維持恒溫。

機組運行工況如表1所示，所有工況下蒸發器側冷凍水流量為847 m3/h，冷凝器側冷卻水流量為1 058 m3/h，每個工況達到穩定后，連續運行2 h通過實驗臺監控軟件等距取7組測試數據，將平均值作為該工況的測量結果，同時冷、熱水側熱力平衡要求滿足≤5%。

表1 大溫差實驗工況Tab.1 Large temperature difference test conditions

2.3 實驗結果及分析

2.3.1 水流程對比實驗

在大溫差測試工況下(冷凍進/出水溫度17/7 ℃)，兩個子系統均運行滿載后，通過微調兩個子系統負荷，使機組整體制冷量達到名義4 922 kW，且蒸發器連管的中間溫度為12 ℃，則可認為兩臺機組制冷量大小一致。

在該方法下，通過改變蒸發器水室端蓋和隔板，可分別實現機組兩個子系統蒸發器水側單流程和雙流程串聯兩種形式，研究在換熱面積不變，工況、水流量相同的情況下，單、雙流程造成不同水流速對機組性能的影響，滿負荷、部分負荷性能測試結果分別如表2、表3所示。

表2 單、雙流程滿負荷性能測試結果對比Tab.2 Comparison of single and dual process full load performance test results

表3 單、雙流程部分負荷性能測試結果對比Tab.3 Comparison of single and dual process partial load performance test results

由測試結果可知，串聯布置的兩臺機組，隨子系統蒸發器水側由單流程改雙流程，相同換熱面積下，水流速的提高使換熱效果顯著增強，換熱量與性能系數均有所提高，蒸發溫度分別比單流程時提高0.9～1.7 ℃，整機的滿負荷性能系數COP提升6%，綜合部分負荷性能系數NPLV提升3.8%。

2.3.2 雙系統負荷匹配實驗

基于2.3.1的實驗測試結果，子系統蒸發器水側雙流程、整機串聯逆流的方案性能更優，在此情況下維持整機總冷量名義4 922 kW不變，通過檢測和控制兩個子系統連管中間溫度，微調兩個壓縮機的工作轉速，使兩個子系統分別承擔不同的實際制冷量比例，對整個機組性能測試結果如表4所示。

表4 雙系統負荷配比實驗結果Tab.4 Test results of dual system load ratio

由表4可知，上游機組因冷凍出水溫度較下游機組(子系統2)高，蒸發溫度占優勢，所以能效通常高于下游機組(在上游機組負荷占比<60%以前)；但該優勢隨著上游機組負荷占比增大而縮減，因為隨上游機組負荷占比逐步增大，該子系統的出水溫度降低，在冷凝溫度基本不變的情況下，上游機組的蒸發溫度呈下降趨勢，而下游機組則因為出力逐漸減小而冷卻出水溫度降低，在蒸發溫度基本不變的情況下，冷凝溫度隨之下降，帶來的能效提升作用一定程度上彌補了下游機組蒸發溫度低的劣勢。

能效隨上游機組負荷占比的變化如圖5所示，從整體上看，當上、下游機組承擔負荷占比約為55%∶45%時，整機性能出現拐點達到最優。

圖5 能效隨上游機組負荷占比的變化Fig.5 The variation of COP with the proportion of upstream machine load

在機組實際設計生產和運行控制中，可以根據水系統的布置，對串聯上下游機組的換熱器、壓縮機及控制參數進行差異化設計，以達到最優的節能效果。

3 結論

基于蒸發器換熱機理的理論分析，對冷凍水大溫差設計條件下串聯機組的不同匹配方式對整機性能的影響進行實驗研究，得到如下結論：

1)大溫差低流量下，蒸發器換熱熱阻主要轉移至水側，優化機組性能主要在于強化蒸發器水側換熱設計；

2)提高流程數可以提升水流速、強化水側換熱。大溫差系統下串聯運行的兩臺機組，雙流程設計相對單流程設計性能可提升6%；

3)大溫差系統下，串聯逆流布置的兩臺機組，上、下游機組承擔負荷占比為55%∶45%時整體性能最優，建議采用差異化設計和控制。