冷却水系统变流量可行性研究

冷却水系统变流量可行性研究香港智迪国际建筑设计顾问有限公司陈剑中南建筑设计院李斌摘要分析了变流量冷却水在冷凝器内的传热过程机理及空调负荷与冷却水流量之间的关系，给出采用变流量冷却水系统的能耗特征，并建议适合采用变流量冷却水系统的地理范围及冷却水泵与制冷机组消耗功率的比值范围。

关键词变流量冷却水ＣＯＰ１引言一般来说空调系统冷却水泵用电量约占电制冷机用电量的１２％一１５％…，空调系统在大部分时间内均为部分负荷运行，而冷却水泵消耗功率不随空调负荷的变化而变化，因此在部分空调负荷时，冷却水泵耗电量所占比例更高。

如果能够实现冷却水泵变频运行，降低冷却水泵耗能比例，这对空调系统节能具有重要的意义。

但是冷却水系统变流量运行会对制冷主机ＣＯＰ值产生影响，冷却水泵的节能能否补偿冷却水变流量运行所带来制冷主机的能耗增加是决定采用这一方案的关键因素。

下面对电制冷冷水机组采用冷却水变流量运行的可行性做具体分析。

２冷水帆组对冷ｉｌｌ水流■要求统计当今世界各种电制冷冷水机组对冷却水流量要求可以发现，满足冷水机组正常运行时冷却水流量可以在一定的范围内变化。

其决定因素包括两个方面：１．冷凝器内换热管的经济流速；２．冷却水管上流量开关的限定要求。

例如根据文献［２］冷凝内的流速范围在１．０１—３．６６ｍ／ｓ，因此冷却水在一定范围内变流量运行对机组本身的性能要求是可行的。

３变滴量冷却水对冷凝暑传热彤自分析冷却水在冷凝器铜管内流动，通过水和制冷剂的热交换从而带走制冷剂的热量。

其换热量的大小取决于冷凝器内管道的传热系数和制冷剂与冷却水的温度差。

对于某一台制冷机而言，其换热面积一定、制冷剂冷凝温度一定，假设冷却水温按照标准空调设计工况不变时，换热量与冷却水流量关系分析如下：根据文献［３］冷凝器内冷却水与制冷剂的换热满足光滑管内紊流换热条件，其换热公式为：Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅｏ８ｔ，ｒｏ３Ｎｕ２ｇｄｌ？ｔ三、空调与控常３类１８９Ｒｅ＝Ｗｄ／ｖ得：口＝Ｏ．０２３酽８ｄ－０２ｐｒｏ３柚‘ｏ８（１）式中Ｎｕ——努谢尔特数；Ｒｅ一雷诺数；Ｐｒ一普朗特数；ａ——综合换热系数；ｄ——水管管径；＾——冷却水的导热系数；彤——铜管内冷却水流速；ｖ——冷却水的运动黏滞系数从公式（１）可以推导出：当冷却水温度一定时或在实际运行当中变化不大（小于１０％）时，水的物性参数基本上没有变化，即Ｐｒ、＾、ｖ可以看成定值。

此时对某一台冷凝器其换热量与铜管内的流速的ｏ．８状方成正比。

即Ｑ’／Ｑ＝Ａｆｗ＇／ｗ）ｏ８式中Ｄ——冷凝器的换热量；＾——系数当空调系统在部分负荷运行时，冷凝器的换热量必须等于空调负荷的热量与制冷机组所耗电功率之和，这样制冷机组和空调系统才能正常运行。

此时冷凝器的换热量为：Ｑ＝ＱＫ＋ⅣＮ＝ＱＫ｝ＣＯＰ。

Ｑ＝ＱＫ＋ＱＫ／ＣＯＰ’（２）式中Ｑ。

——空调负荷；Ⅳ——部分空调负荷时制冷机所耗电功率；∞Ｐ７——部分空调负荷时制冷机的性能系数。

根据ＴＲＡＮＥ、ＹＯＲＫ等产品的性能手册可以得出：制冷机组在部分空调负荷下的ＣＯＰ值随着空调负荷的降低而增加，当空调负荷大约降低到６５％以后，其ＣＯＰ值又逐渐降低。

表１为某公司某一离心机组在部分空调负荷下的性能变化系数。

其他产品在部分空调负荷下的ＣＯＰ值具有相同的特征。

褒１空调负荷比例１００％９５％９０％８５％帅％７５％７０％６５％６０％ｃｏｐ增加比例０％６％１０％１２％１４％１５％１６％１８％１６％注：ｃｏｐ增加比例为制冷机组部分负荷下的ｃｏｐ值相对于满负荷运转时的ｃｏｐ值增加的比例。

因此根据公式（１）、（２）和表１得到冷却水流速比（即流量比）与空调负荷变化的关系，见表２。

１９０三、空调与控制类表２空调负荷比例１００％９５％９０％８５％８０％７５％７０％６５％６０％恬塞机１００％９４％８８４％８３２％７８１％７３１％６８１％６３１％５８４％冷凝器散热螺杆机啪％９４１％８８．６％８３．４％７８３％７３．３％６８．３％６３３％５８．６％比例离心机１００％９４２％８８８％８３．６％７８．５％７３．５％６８．５％６３５％５８８％活塞机１００％９２７％８５７％７９．５％７３．４％６７．６％６１９％５６２％５１．１％玲却水流速螺杆机１００％９２７％８６．０％７９７％７３７％６７８％６２．１％５６．５％５ｌ３％比例离心机１００％９２．８％８６２％８００％７３９％６８．１％６２．３％５６．７％５ｌ５％注：上表假定活塞机组在满负荷运转时的ＣＯＰ值为４２．螺杆机组在满负荷运转时的ＣＯＰ值为４．８。

离心机组在满负荷运转时的ｃｏＰ值为５６。

从表２可以看出：随着空调负荷的减少，维持制冷机的正常工作要求。

冷却水的流速（流量）也相应减少，而且减少的更快。

同时冷却水流量的减少量与制冷机的形式没有很大的对应关系。

４冷却水流■变化对嗣冷机性能的影靖无论制冷机在满负荷还是部分符合运行时，其性能参数都是在标准的冷冻水流量、冷却水流量下所得到的。

但是当冷冻水量不变、冷却水流量变化时，其对制冷机组的ＣＯＰ值影响可根据文献［４］得到：冷却水流量每下降１０％，相对ＣＯＰ值下降约为１．６％。

５冷却水沮的变化对舅冷机性能的影响以上分析是基于冷却水温按制冷机组的标准工况运行的，但实际运行中。

冷却水温受环境气象条件变化而变化。

冷却水温取决于冷却塔的热交换性能和空气的湿球温度，对某个空调系统而言，冷却塔的大小是一定的，因此冷却水温主要由空气的湿球温度确定。

当空气的湿球温度降低时，空调新风负荷也随之降低，空调负荷也相应减少，同时冷却水温也随之降低。

因此空调负荷和冷却水温具有相同的变化趋势。

相对于定流量的冷却水系统，变流量冷却水系统在冷却水温上具有明显的优势。

随着冷却水流量的减少，冷却塔不变，冷却水在冷却塔内热湿交换更为充分，因此冷却水温会降的更低。

冷却水温对制冷机组的性能影响可根据产品的实际性能确定。

综合ＴＲＡＮＥ、ＹＯＲＫ、ＣＡＲＲＩＥＲ、富田、台佳等产品的性能参数得到冷却水温与制冷机组的性能对应关系如表３所示。

衰３冷却水进水温度ｃｏＰ比值３５℃１．０６—１１０３０℃１．０２５ｃｃｏ．９１６一ｏ．９２６２０ｃｃ０８４２—０．８ｓ７三、空调与控制类１９１从上表可以得到：冷却水的进水温度越低，制冷机的ＣＯＰ值越高，因此变流量冷却水系统对提高制冷机的能效比是一个积极因素。

空调负荷与冷却水温的变化关系通过统计全国的气象参数分析得到。

表４是全国的气象参数统计值（无香港、台湾、澳门的气象资料）表４城市＇ｒｓ（ａｃ）ＡＴ（℃）△ｒｓ（℃）城市ｒｓ（℃）ＡＴ（℃）△ｒｓ（ｃｃ）哈尔滨２３４８５西安２６Ｏ８７６长春２４２８．８５成都２６．７６９３２沈阳２５４８．１５上海２８２６９２．４北京２６４８．８４合肥２８．２６．３５．５天津２６．９８．１４武汉２８２６．３３５呼和浩特２０８９４４５杭州２８．５８３５石家庄２６６１０４５南昌２７９６７４兰娴２０２９５福州２８０９２３２乌鲁木齐１８．５９８５５长沙２７７７３３５济南２６７６７３５贵用２３０７ｌ２５太原２３．４９．８５．５广州２７７６５１．８银川２２．Ｏ１０６南宁２７５７５ｌ８西宁１６．４１０６昆明１９９６９４南京２８３６．９３海口２７９８８２８郑州２７．４９．２２．８拉萨１３５９．０洼：珏——空调室外计算湿肆温度；ＡＴ－－－－－－－平均日较差；△以为最热月的日最小湿球温度差。

从表４可以看出全国空调设计湿球温度分为三个典型区：（１）湿球温度范围在２７．０—２８．５℃的区域，如南京、南宁、上海、广州、武汉、济南等，其日最小湿球温度差在１．８—３．５℃之间（除南昌、合肥、杭州之外）。

（２）湿球温度范围在２３．Ｏ℃一２７．Ｏ℃的区域，如哈尔滨、北京、天津、西安等，其日最小湿球温度差在４．０。

Ｃ一６．Ｏ℃之间（除贵阳外）。

（３）湿球温度范围在２３．０℃以下的区域，如银川、西宁、昆明、呼和浩特、乌鲁木齐等，其日最小湿球温度差也在４．０℃～６．０℃之间。

由于空调新风负荷主要取决于室外空气的湿球温度，围护结构的空调负荷主要取决于室外空气的空调设计温度，因此若以平均日较差作为日平均湿球温差，则区域１的平均空调负荷随室外环境变化不大，冷却塔的出水温度随室外气象参数变化也不大。

区域２的平均空调负荷随室外环境变化较大，冷却塔的出水温度随室外气象参数变化也较大。

区域３的平均空调负荷随室外环境变化最大，冷却塔的出水温度随室外气象参数变化也较大。

根据以上空调负荷和冷却水温变化情况，在２、３区域内更适合采用变流量冷却水系统。

尽管在此区域内采用定流量的冷却水系统和变流量冷却水系统对制冷机组的性能影响大致相同，但是空调负荷变化的程度决定了冷却水系统采用变流量能够产生巨大的经济效益。

＝、空调与控制类６变流量冷却水系统的节能分析由于冷却水系统采用变流量运行，因此冷却水泵的输入功率也随之变化。

根据水泵的功率公式：Ｐ＝Ｓ。

（日，＋Ｈ：）Ｌ（３）Ｈ。

＝Ｓ：Ｌ２（４）式中Ｐ——水泵的输入功率；Ｌ——冷却水流量；Ｓ．、Ｓｚ——管道特性系数；日．——冷却水系统的水力损失，包括管道、制冷机组、各种阀门等；胁——冷却塔所需要的水头。

对于一个冷却水系统而言，日，一般为５ｍ水头（有风机的冷却塔），假设定流量情况下冷却水系统的日．分别为１０ｍ、１５ｍ、２０ｍ，根据公式（３）、（４），其流量变化与水泵的输入功率的对应关系如表５（流量变化参考表２的螺杆机组）所示。

表５负荷变化１００％９５％９０％８５％舯％７５％７０％６５％６０％流量变化１００％９２．７％８６％７９７％７３７％６７８％６２１％５６．５％５１３％Ｈｔ＝１０１００％８４％７ｌ１％６０３％５１３％４３４％４１３％３０９％２６．１％功率变化Ｈ一；１５１００％８２．９％６９２％５７９％４８４％４０３％３３５％２７７％２３．０％打ｔ＝如１００％８２．３％６８１％５６４％４６８％３８５％３１．６％２５７％２１．１％由表５得到：冷却水系统的阻力损失对冷却水泵的功率变化影响较小。

随着冷却水流量的降低，冷却水泵的输入功率迅速降低，而且降低的幅度越来越大，因此其经济性越来越明显。

但是能否采用变流量的冷却水系统还取决于冷却水泵节省的电量是否能够弥补因制冷机组的性能降低所增加的耗电量。

在此定义冷却水系统的ＣＯＰ，其计算公式为：ＣＯＰ＝Ｑ。

／（Ｐ＋Ｎ），则变流量冷却水系统与定流量冷却水系统的ＣＯＰ比值为：ＣＯＰＢ，ＣＯＰＤ＝（Ｐ＋Ｎ），（△Ｐ＋，ＳＮ）（５）７１ｃｏｐ＝ＣＯＰｓ／ＣＯＰＤ一１（６）Ｒ＝Ｐ｜Ｎ式中∞Ｐ。

——变流量冷却水的ＣＯＰ值；ＣＯＰ。

——定流量冷却水的ＣＯＰ值；△Ｐ——变流量冷却水系统冷却水泵的消耗功率；△Ⅳ——变流量冷却水系统制冷机组消耗的功率；目。

——冷却水系统ＣＯＰ值的节能幅度；尺——定冷却水流量下冷却水泵与制冷机组消耗功率的比值。