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空调水系统变水温运行方案研究

来源：岁月联盟作者：时间：2010-08-22

摘要：通过对末端空气处理设备和冷水机组变水温热工性能分析，研究了冷水温度变化对末端空气处理设备处理冷量、除湿能力及冷水机组性能的影响。通过实例分析和，表明此方案对于一般舒适性空调系统，能够满足室内温湿度要求,节能效果明显。本文根据某建筑物空调系统负荷特点和室外气象条件，给出了变水温运行的调节方案。

关键词：部分负荷变水温末端设备运行方案

0 引言

在中央空调系统实际运行过程中，空调负荷随着室外气象条件等因素变化，多数时间远小于设计负荷。如果在空调负荷减少时，适当提高冷水供水温度，则可以提高冷水机组的运行效率，降低运行能耗，也不要增加任何设备。鉴于目前空调系统的全年运行过程中，冷水机组的出口水温调节的操作带有很大的随意性。有必要对此进行定量的研究。目前关于变水温调节的定量研究很少，[1]主要针对全空气系统中空调机组表冷器变水温性能分析，说明方案可行，并通过对某一冷水机组冷水温度变化时COP值的变化，讨论了节能的效果，但是没有涉及到风机盘管机组，文献[2]通过对某大型国际机场特定的空调系统，针对该机场的负荷特点和气象条件，给出了分阶段变水温运行的方案。但并没有对冷水变化对末端空气处理设备除湿能力下降做具体分析。

1 中央空调系统变水温性能

1.1 风机盘管变水温性能

在制定空调系统变水温运行方案时必须考虑末端空气处理设备的性能。文献[3]对风机盘管性能参数进行整理和分析，运用多元回归的数学方法得出风机盘管冷量回归方程(假定风机盘管的风量和水流量不变)。

(1)

(2)

(3)

式中下标t,s,l分别表示风机盘管的全热，显热和潜热； kW；

下标“0”表示在标准工况条件下，没有下标表示在使用工况条件下；

t₁、t_s1—表示空气进口干、湿球温度，℃；

t_w1—表示冷水出口温度，℃。

现取某厂家生产的风机盘管FP-6.3型为例进行研究，标况下风机盘管进风干球温度27℃，湿球温度19.5℃，冷水供水温度7℃，温差为5℃。此型号盘管标况下的全热冷量和显热冷量分别为4.41KW和2.98KW。根据上面公式编制程序，运行得出下面的计算结果：

表1 冷冻水温度变化对风机盘管性能的影响

	7℃	8℃	9℃	10℃	11℃	12℃	13℃
Q_t/Q_t0	1.00	0.92	0.84	0.76	0.68	0.60	0.52
Q_s/Q_s0	1.00	0.95	0.90	0.85	0.80	0.75	0.70
Q_l/Q_l0	1.00	0.86	0.71	0.57	0.43	0.29	0.14

图1 风机盘管的冷量随冷水温度变化曲线

随着风机盘管进口冷水温度的升高，风机盘管的制冷量逐渐下降，呈线性变化。当冷水温度由7℃改变为9℃时，风机盘管的制冷能力下降了16%；改变为12℃时，风机盘管的制冷能力下降了40%。从图1中三条曲线可以看到，冷水温度的升高导致制冷量下降，但冷冻水温度提高对全热冷量、显热冷量和潜热冷量的影响程度是不同的，其中对潜热冷量的影响最大，显热冷量影响最小，全热冷量介于其间。

1.2 新风机组变水温性能

在冷水温度满足风机盘管的热湿处理能力的同时，还要保证在相同冷水温度下，新风机组的处理能力也满足要求。表冷器的热工性能受到以下几个因素的影响：①进口空气参数；②处理风量；③冷水温度；④冷水流量。为便于研究，选用JW30－4型6排通用型表冷器进行分析，处理风量16000kg/h，水流量23500kg/h，迎面风速2.5m/s，水流速1.6m/s。本文采用全热交换效率计算方法讨论处理风量和水流量不变，通过改变冷水温度和进出口空气参数来具体分析表冷器的热工性能。

空调负荷率可以认为与室外空气干球温度的线性关系。下面是根据ARI标准^[4]计算出来得负荷率与室外干球温度的对应关系。

表2 负荷率与室外空气干、湿球温度的关系

负荷率/%	100	95	90	85	80	75	70	65	60
室外干球温度/℃	35	33.9	32.8	31.7	30.6	29.4	28.3	27.2	26.1
室外湿球温度/℃	29	27.63	26.27	24.9	23.53	22.17	20.8	19.43	18.07

编制表冷器计算程序，运行得到变工况下新风机组的热工性能。

表3 部分负荷时新风机组的热工性能

部分负荷率/％	100	90	80	70	60
冷水温度/℃	7	8.2	9.4	10.6	11.8
室外新风干球温度/℃	35	32.8	30.5	28.3	26.1
室外新风湿球温度/℃	29	26.27	23.53	20.8	18.07
新风送风干球温度/℃	15.7	15.4	15.1	15	14.9
处理空气所需的的E_g	0.689	0.707	0.731	0.751	0.783
表冷器实际能达到的E_g′	0.689	0.711	0.734	0.759	0.788

从表3可以看到，在由于室外气象条件变化，空调负减少荷时，新风机组采取提高冷水温度做法，室外参对新风机组的影响超过了冷水温度提高对新风机组的影响，处理后的新风送风干球温度略有下降，说明在室外气象条件变化时，冷水温度提高对新风机组处理新风终状态影响不大，部分负荷时，相应提高冷水温度是可行的。

1.3 冷水机组变水温性能

图2 冷水出口温度对机组COP的影响

图2是某空调公司特定型号的三种类型（活塞式、螺杆式、离心式）冷水机组COP和冷水温度的关系，可以看出当冷却水供回水温度不变（32/37℃），冷水温度提高时，COP值变大，效率提高，冷水温度由7℃提高到10℃时，活塞式COP值提高了8.7％，螺杆式COP值提高了9.2％，离心式COP值提高了5.5％，节能潜力很大。

2 变水温对室内温湿度的影响

根据上面的分析，当室外气象条件变化，空调系统处于部分负荷时，可以通过提高冷冻水供水温度，在满足室内负荷的同时，可以提高冷水机组的运行效率，以节约能耗。但变水温运行，冷水温度提高不仅会对风机盘管的热湿处理能力产生影响，还会影响到新风机组的处理能力，最终会对室内参数以及舒适度产生多大的影响，有必要对此进行定量的研究。本文采用室内热湿平衡方程来研究变水温对室内温湿度的影响，室内热湿平衡方程为：

（6）

（7）

式中：G_F—风机盘管送风量， kg/s；

G_W—室内新风量，kg/s；

i₀—风机盘管送风焓值，kJ/kg；

i₂—新风送风焓值，kJ/kg；

i_N¹—室内实际焓值，kJ/kg；

d₀—风机盘管送风含湿量，g/kg；

d₂—室内新风的含湿量，g/kg；

d_N¹—室内实际计算含湿量，g/kg；

Q—室内余热量，kW；

W—室内余湿量，g/s。

首先根据上面的分析，编制程序，程序设计流程图如下：

图3 室内温湿度计算流程图

下面通过实例来说明部分负荷时冷水温度变化对室内参数的影响

某空调房间，室内总余热量Q＝3.314kW，总余湿量W＝0.264g/s，夏季室内计算参数为：t_N＝25℃，Ф_N＝50％，当地大气压力为101325Pa。新风机组和风机盘管都是定型的。新风量L＝90m³/h，新风比为0.15。讨论当由于室外气象条件引起室内余热总量变化，总余湿量不变时，负荷率与冷水温度以及新风送风干求温度的关系。

解：根据上述公式编制的程序，通过迭代运算，运行结果如下表：

表4 部分负荷率时参数的变化

负荷率/%	100	90	80	70	60
冷水温度/℃	7	8.2	9.4	10.6	11.8
新风送风干球温度/℃	16.2	15.9	15.6	15.5	15.4
FCU送风干球温度/℃室内干球温度/℃	11.525.1	13.224.9	14.824.5	16.424.3	18.124.1
室内相对湿度/%	49.8	52.8	55	58.6	63

从表4可以看到：当室内处于部分负荷状态时，通过调节冷水供水温度，可以使室内温湿度在舒适标准范围之内。实际上随着室外干湿球温度的下降，室内余湿量也会有所降低，所以实际室内相对湿度会略有一定程度的降低。因此，对于舒适性空调系统采用变水温质调节是可以满足要求的。

3 变水温运行方案

对南京某饭店实际运行情况调研分析，并根据当地气象条件的特点，制定了以下几个阶段的变水温运行方案。

表5 某饭店变水温运行调节方案

时间	供水温度/℃	运行机组台数
～5月上旬	11.5	1
5月中旬～6月上旬	10	1～2
6月中旬～7月上旬	8.2	2
7月中旬～8月中旬	7	2
8月下旬～9月中旬	8.2	2
9月下旬～10月上旬	10	1～2
10月中旬～	11.5	1

根据对改饭店的现场测试结果，随着室外气象条件的变化，变水温运行对空调房间温湿度的影响不大，可以满足室内舒适度的要求。可见，该饭店采用变水温运行方案，是可行的。

4 结语

1 由于空调系统负荷在大部分时间里都在设计负荷以下，可以考虑采用质调节的方法达到既满足室内负荷要求，又能够节约能耗的目的。如当负荷率为70％时，采用10℃的冷水供水温度，与设计工况相比，离心式机组耗电量下降了5.5％，螺杆式机组耗电量下降了9.2％，节能效果明显。

2 由于冷水温度的提高，使得末端空气处理设备的除湿能力下降，室内相对湿度变大，使得冷水温度不能提高很多，从上面的分析得出，当室内负荷为60％，采用11.8℃的冷水温度，室内相对湿度就达到了63％，所以，对舒适性空调系统，冷水温度的提高一般以不超过12℃为宜。

3 分阶段变水温运行是针对过渡季节部分负荷条件下空调制冷系统节能运行调节而提出的，不需要增加任何设备，比变流量的节能方案更容易操作，只需考虑室外气象条件，负荷分布等影响因素，可以根据实际空调系统的动态空调负荷计算和空调制冷系统运行实践制定出更为细致的运行方案，使节能达到最优化。它对于一般舒适性空调系统来说，是一种简便可行的节能运行方案。