张晓坤
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摘要：中央空调冷冻水系统大温差设计可以显著降低输配能耗，对系统节能具有重要意义。但随设计温差增大、冷冻水流速降低，蒸发器水侧传热系数逐渐减小，成为制约冷水机组能效的主要因素。本文基于蒸发器换热机理，理论分析了冷冻水大温差对蒸发器换热性能的影响。
关键词：离心式冷水机组；冷冻水系统；大温差；串联；能效
在大型工、商业公共建筑中，暖通空调系统运行能耗通常占整个建筑能耗的60%以上，降低空调系统能耗是建筑节能的关键所在。常规的中央空调系统，冷冻供回水通常采用7℃温差设计，不仅水系统管路、泵体、阀件成本较高，管网输送能耗约占整个空调系统能耗的25%。若采用大温差小流量的设计方法，将有助于解决上述问题，实现很好的节能效果，尤其适合管网输送半径较大的高大空间型公共建筑。
近年来，大量的研究结果表明，空调冷冻水系统大温差设计具有可行性、可靠性和经济性，加大冷冻水的供回水温差设计，将有助于降低水泵扬程及管网输配耗电，整个空调系统能耗将随之减小，从而实现空调系统的整体优化。但针对冷冻水大温差设计对冷水机组设备本身效率的影响，研究结论则不尽一致，对设备在大温差下优化设计方面的报道较少，普遍认为应该以工程的实际情况综合考量。本文将结合理论分析研究大温差设计对冷水机组运行特性的影响，并在双系统串联、逆流设计的机组方案基础上，通过对某型号离心式冷水机组的实际测试，提出一种优化的系统设计方案，为大温差空调系统设计提供参考。
1.大温差离心式冷水机组实验分析
1.1实验方案
提高制冷剂蒸发温度，可以提升冷水机组的能效，基于此在冷冻水系统大温差设计下，采用两台冷水机组进行蒸发器侧串联运行设计：一方面提高水侧流速，强化换热；另一方面，上游机组出水因位于进出水大温差的中间温度，蒸发温度也将显著提高，从而提升整个系统的效率。基于冷水机组串联运行的设计思想下，将两台机组进行模块化组合，并使冷凝器同样形成串联、逆流运行，设计一种专用于冷冻水大温差（17/7℃）的测试样机，样机名义制冷能力为4922kW，由两台相同的2461kW离心式冷水机组子系统模块化构成，两台子系统的制冷剂侧独立，水侧则形成串联逆流布置形式。其中，每个子系统的蒸发器水侧可通过水室端盖、隔板调整，进一步实现子系统内部单、双流程两种对比方案，如图1所示。
图1实验样机系统方案
1.2实验装置
实验装置依据标准GB/T18430.1—2007《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》所规定的液体载冷剂法建立，机组蒸发器侧制冷量测定和冷凝器侧热平衡校核分别采用液体载冷剂法和热平衡法，原理如图2所示。
图2实验装置原理
因没有实际末端热负荷消耗机组制冷量，实验台采用兑水泵将一定量的冷却水兑入冷冻水系统，提升冷冻水温度，中和机组冷负荷，使实验工况可以维持稳定，兑水泵的转速直接取决于测试样机工况运行稳定时的制冷量大小。因水力平衡，同流量的冷冻侧低温水将返回冷却水系统，降低冷却进出水温度，但并不足以完全抵消机组冷凝热，超出的热量（等于机组的输入功率）则由混合水箱中的冷水来中和，混合水箱自身则通过带冷却塔的独立冷却系统来维持恒温。机组运行工况如表1所示，所有工况下蒸发器侧冷冻水流量为847m3/h，冷凝器侧冷却水流量为1058m3/h，每个工况达到稳定后，连续运行2h通过实验台监控软件等距取7组测试数据，将平均值作为该工况的测量结果，同时冷、热水侧热力平衡要求满足≤5%。
表1大温差实验工况
1.2实验结果及分析
（1）水流程对比实验
在大温差测试工况下（冷冻进/出水温度17/7℃），两个子系统都运行满载后，通过微调两个子系统负荷，使机组整体制冷量达到名义4922kW，且蒸发器连管的中间温度为12℃，则可认为两台机组制冷量大小一致。在该方法下，通过改变蒸发器水室端盖和隔板，可分别实现机组两个子系统蒸发器水侧单流程和双流程串联两种形式，研究在换热面积不变，工况、水流量相同的情况下，单、双流程造成不同水流速对机组性能的影响。
由测试结果可知，串联布置的两台机组，随子系统蒸发器水侧由单流程改双流程，相同换热面积下，水流速的提高使换热效果显著增强，换热量与性能系数均有所提高，蒸发温度分别比单流程时提高0.9~1.7℃，整机的满负荷性能系数COP提升6%，综合部分负荷性能系数NPLV提升3.8%。
（2）双系统负荷匹配实验基于（1）的实验测试结果，子系统蒸发器水侧双流程、整机串联逆流的方案性能更优，在此情况下维持整机总冷量名义4922kW不变，通过检测和控制两个子系统连管中间温度，微调两个压缩机的工作转速，使两个子系统分别承担不同的实际制冷量比例，对整个机组性能测试结果如表2所示。
表2双系统负荷配比实验结果
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由表2可知，上游机组因冷冻出水温度较下游机组（子系统2）高，蒸发温度占优势，所以能效通常高于下游机组（在上游机组负荷占比＜60%以前）；但该优势随着上游机组负荷占比增大而缩减，因为随上游机组负荷占比逐步增大，该子系统的出水温度降低，在冷凝温度基本不变的情况下，上游机组的蒸发温度呈下降趋势，而下游机组则因为出力逐渐减小而冷却出水温度降低，在蒸发温度基本不变的情况下，冷凝温度随之下降，带来的能效提升作用一定程度上弥补了下游机组蒸发温度低的劣势。
图3能效随上游机组负荷占比的变化
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能效随上游机组负荷占比的变化如图3所示，从整体上看，当上、下游机组承担负荷占比约为55%：45%时，整机性能出现拐点达到最优。在机组实际设计生产和运行控制中，可以根据水系统的布置，对串联上下游机组的换热器、压缩机及控制参数进行差异化设计，以达到最优的节能效果。
结论
基于蒸发器换热机理的理论分析，对冷冻水大温差设计条件下串联机组的不同匹配方式对整机性能的影响进行实验研究，得到如下结论：
1）提高流程数可以提升水流速、强化水侧换热。大温差系统下串联运行的两台机组，双流程设计相对单流程设计性能可提升6%；
2）大温差系统下，串联逆流布置的两台机组，上、下游机组承担负荷占比为55%：45%时整体性能最优，建议采用差异化设计和控制。
参考文献:
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