冷水大温差冷量梯级利用节能改造

Ｎｏ．３／２００７

总第１１５期第２８卷

制冷空调

与电力机械

ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＭａｃｈｉｎｅｒｙ

中图分类号：ＴＵ８３１．４

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００６－８４４９（２００７）０３－００４４－０３

０引言

随着城市建设的发展，建筑能耗已占全国总能耗

的３０％左右，而空调耗能一般占整个建筑能耗的６０％以上，且比例不断增加。城市每年的用电量高峰在夏季，空调在此时间内的耗电要占总发电量的３０％左右，部分地区（如广州）高达５０％～６０％，因此，空调系统的节能要求已被提到了十分重要的位置。空调系统的设计中出现了许多诸如变风量、变水量、大温差、蓄冷等节能措施。但对于旧的中央空调系统，如何合理地采用可行的、经济的方案来完成对空调系统的节能改造，仍然是一个值得探讨的问题。最常见的解决方案就是对中央空调冷水实行大温差。

１常规大温差冷水技术

一般中央空调系统由末端与新风机组并联组成，

冷水的供、回水温为７℃／１２℃。其系统冷水循环示意如

图１。

目前国内关于此类冷水大温差的文章并不少见，其原理就是在供冷量不

变的情况下，通过增大供回水温差来减小冷水流量。从而减小水泵功率和运行费用，达到节能的目的。但存在的问题

是：因采用常规大温差的方法，各种设备需重新更换来与之匹配，由此造成初投资过大。

而且一味增大回水温度会使得送风温度升高，只有靠增加风量来保证负荷，那么水泵功率减小的同时风机功率也要增加。不能很好地体现出大温差的节能效果。所以在实际改造工程中并不能得到广泛应用。

为克服上述常规大温差技术的弊端，本文将探讨一种全新的冷水大温差技术在中央空调系统实际改造工程中的应用。

２大温差冷水冷量梯级利用方案

本节能改造方案：冷水供、回水温差由原来的７℃／

１２℃改为７℃／１５℃，同时将末端与新风机组由原来的

并联改为串联形式。改造后中央空调系统冷水循环示意如图２。

空调区中的新风机组和室内空调器，均由风机盘管和空调机组构成。冷水管路依次通过循环水泵、冷水机组、室内空调器和新风机组。从而组成循环回路；优点

是：处理温度较低空气的室内空调器，使用低温段冷水；处理温度较高空气的新风机组，使用高温段冷水，

冷水大温差冷量梯级利用节能改造

张林，

孙文哲，

王飞，

葛轶群

（上海海事大学制冷及低温工程系，上海２００１３５）

摘要：阐述了在改造工程中，尽量不更换原设备、不增加大投资的前提下，应用冷水大温差技术；分析了因冷水量的减少对各部分装置产生的影响；提出了对现有设备进行适当改造的新方法。

关键词：梯级利用；

冷水；串联；节能；大温差；改造

图１改造前冷水循环系统图

１－冷水循环泵２－冷水机组

３，４－房间空调器５－新风机组

图２改造后冷水循环系统图

１－冷水循环泵２－冷水机组

３，４－房间空调器５－新风机组

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３４

５

空调区

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空调区

工程设计

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Ｎｏ．３／２００７总第１１５期第２８卷制冷空调

与电力机械

ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ

＆ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＭａｃｈｉｎｅｒｙ

实现了冷水冷量的分级利用；使中央空调具有造价低、节能、自适应能力强、适应大温差系统的突出特点。

３改造方案探讨

由于做了以上的改造，给原中央空调系统带来了

一些变化，并且要根据这些变化对原中央空调系统进行更换设备或对原有的设备进行适当的改造。

３．１水泵

实行大温差方案后，冷水流量大大减小（为原来的５／８）。

从而要求水泵的扬程和功率都将大大减小。故水泵需重新选型更换。

３．２冷水机组

由于采用了冷水的大温差，使得进入冷水机组蒸发器的冷水流量降低了，并且进出口的对数平均温差变大，总的效果是使得制冷量变小，为了保持制冷量不变，就要对冷水机组中的蒸发器进行一些改造。

Ｎｕ＝ＣＲｅｎ

Ｐｒｍ

（１）

式中Ｎｕ—努塞尔数；

Ｒｅ—雷诺数；

Ｐｒ—普朗特数；

Ｃ，ｎ，ｍ—常数，由实验数据所确定。

由于本方案所讨论的为管内强迫对流（湍流）传热，所以其特征数关联式中的常数Ｃ＝０．０２３，ｎ＝０．８，当加热流体时ｍ＝０．４，冷却流体时ｍ＝０．３。即：

Ｎｕ＝ｈｄλ

＝０．０２３Ｒｅ０．８Ｐｒ

ｍ

（２）

式中ｈ—对流传热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；

ｄ—特征尺寸，ｍ；

λ—导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）。

所以可得出对流传热系数：

ｈ＝０．０２３λｄ

Ｒｅ０．８

Ｐｒｍ

因为改造前后λ、ｄ、Ｐｒ不会改变或可以说是近似

不变，改造前后运动粘度ν

和特征尺寸Ｌ基本保持不变。雷诺数又与流速成正比，所以又可以表示成：

ｈ＝ＣＶ０．８

（３）

式中Ｖ—流体速度，ｍ／ｓ；

Ｃ—定值。

采用大温差前后对流传热系数之比为：

ｈ２ｈ１

＝Ｖ

２０．８

Ｖ１

０．８＝５８

!"０．８

＝０．６９

（４）

原蒸发器内冷水进出水温度分别为ｔ１＝１２℃，ｔ２＝

７℃，蒸发温度ｔｅ１＝５℃。对数平均温差算得：

Δｔｍ１＝Δｔｍａｘ－ΔｔｍｉｎｌｎΔｔｍａｘ

Δｔｍｉｎ

＝

（１２－５）－（７－５）

ｌｎ１２－５７－５＝４．０

（℃）（５）

采用大温差后冷水机组中蒸发器内冷水进出水温度分别为ｔ１＝１５℃，ｔ２＝７℃，蒸发温度不变还是ｔｅ２＝５℃。同理可得：Δｔｍ２＝５．０℃；

将上述结果代入制冷量计算式后得出：

Ｑ２Ｑ１＝ｈ２ＡΔｔｍ２ｈ１ＡΔｔｍ１＝０．６９×

５４

＝０．８６（６）

可以看出改造后制冷量Ｑ减小了，所以需要对冷水机组进行部分调整使得改造前后冷水机组的制冷量相同，即Ｑ２′＝Ｑ１。由上式知，在流量一定的情况下，可以通过减小截面积增大流速来改善换热系数达到二者相等。在此符号上的斜撇表示改造后的数据，可得：

Ｑ２′Ｑ１＝ｈ２′Ａ′Δｔｍ２′

ｈ１ＡΔｔｍ１

＝１（７）

式中Δｔｍ２′＝Δｔｍ２，即采用大温差后的对数平均温差无论在改造前、后均不变，Ａ为蒸发器铜管的截面积，改造前后流量ｑ是不变的。即有：

ｑ＝Ｖ２′Ａ２′＝Ｖ２Ａ

（８）

由上述公式计算可得：Ａ′＝０．８２６Ａ

上式所得结果说明在不更换原蒸发器的情况下，只要使得蒸发器铜管截面积为原来的０．８２６倍，即可使得改造后由于采用了冷冻大温差而带来的冷水机组制冷量下降问题得到解决。其途径可以加一根适当的螺旋形钢丝嵌在蒸发器铜管内，使得铜管截面积减为原来的０．８２６倍，即可以使得进入蒸发器盘管冷水流速变大，从而使得采用大温差和使新风机组与末端串联方案后，冷冻蒸发器换热量减小的情况得到解决，使得改造前后冷水机组的制冷量不发生变化，并且这样做基本不需要什么成本，可以节省投资。

３．３新风机组

由于把原来的末端与新风机组并联改为串联，并且进、出新风机组冷水温度为７℃／１２℃变为１２℃／１５℃，这样就使得通过新风机组中冷水和新风的对流传热发生变化，并且冷水传热量也发生了变化，对其变化进行分析，最后得出结论：是否有必要对其进行改造。

改造前、后的冷水循环系统中，新风机组、房间空调

器的位置关系和进入新风机组的冷水流量如图３所示。

由于经过新风机组冷水温差减小，假设送风温度不变，对数平均温差可能会减小。但是串联会使得经过

工程设计

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