中央空調大溫差優化設計探討
隨著我國國民經濟的發展，人民生活水平的提高，建筑能耗已經占全國總能耗的30%左右，而空調耗能一般占整個建筑能耗的60%以上，且比例在不斷增加。因此，對空調系統的節能優化設計，提高系統的經濟適用性，已經是目前行業關注的首要問題。由于樓宇的空調電費取決于整個空調系統的能耗,因此不僅需要提高空調設備本身的效率,而且要優化空調系統設計,降低樓宇空調系統的整體能耗。中央空調冷水系統包括冷水機組、冷卻塔、冷水水泵及冷卻水泵等幾個主要的耗能部件。因此在空調系統的設計中出現了諸如變風量空調、變水量空調、大溫差空調、蓄冷空調等節能或提高系統經濟性的技術,其中變風量或變水量空調是提高空調負荷變化時的調節性能的技術,通過變風量或變水量對空調負荷變化的實時響應來達到節能的目的;大溫差空調是在空調設計工況和設計負荷下的節能技術,它通過提高冷(熱)量輸送過程中載冷(熱)劑的溫差來提供冷(熱)量的輸送效率。
一、大溫差系統概述
中央空調大溫差是指相對于國內中央空調常規設計的送風、水溫差為5℃而提出的，指中央空調系統的送風、水溫差大于常規溫差。大溫差空調是在空調設計工況和設計負荷下的節能技術，通過提高冷(熱)量輸送過程中載冷(熱)劑的溫差來提供冷(熱)量的輸送效率;蓄冷空調是空調冷量制備的經濟性技術，通過“移峰填谷”，利用電力的“峰谷差價”來實現制冷系統的經濟性，從空調系統設計來說，在空調設計工況及設計負荷下的節能是絕對的、無條件的;負荷調節的節能和利用電力的“峰谷差價”的“節錢”是相對的、有條件的。
樓宇中央空調的冷水系統一般包括冷水機組、冷卻塔、冷凍水水泵及冷卻水水泵等幾個主要的耗能部件。其中，大溫差冷水系統可以節約系統的循環水量，相應減少水泵的揚程及運行費用，減少管道的尺寸，節約系統的初投資。冷卻水大溫差設計時，可以減少冷卻塔尺寸，節約冷卻塔的占地面積，減少水泵的流量和水管的尺寸，當冷卻水溫度比常規水溫高 2℃時，可減少運行費用3%～7%，節省一次投資 10%～20%。與風機的性能分析相似，可以用水泵的相似理論進行分析，當冷水供回水溫差增大一倍時，冷卻水泵的運行能耗將大大減少，國內已有這方面的文獻，這說明采用冷水大溫差運行的經濟效益是非常明顯的。在實際的工程設計中，管內水速一般采用1～2m/s（國際上允許的管內流速比國內高得多）。因此，流速不變時，由于管徑減少，單位管長的磨擦阻力增加，但是，即使是考慮到管道系統的阻力變化對系統能耗的影響，這方面節能效果也是相當可觀的。目前,已有不少工程都采用了空調大溫差技術,例如:上海萬國金融大廈冷凍水供回水溫差為7.7℃(6.7/14.4℃),冷卻水溫差為8℃(32/40℃);上海浦東國際金融大廈冷凍水供回水溫差為l0℃(5.6/15.6);上海中國保險大廈冷凍水供回水溫差為8.9℃(6.7/15.6℃);上海兒童醫學中心,采用的冰蓄冷系統冷凍水側溫差為7.58℃(5.72/13.3℃);上海金茂大廈則采用了送風大溫差設計;廣州大學城區域供冷系統冷水機組(不包冰蓄冷)冷凍水供回水溫差為10.5℃(2.5/13℃)。
在系統運行的過程中，當冷水機組的冷水出口溫度不變時，將冷水溫升加大1倍，電機功率變化很小，或沒有變化，甚至有所下降，而壓降則明顯減小。當冷水機組在冷水進出口溫差相同時，隨著冷水出口溫度的降低，單位質量制冷量能耗增加 ; 制冷效率相應有所降低。在冷水進口溫度相同時，隨著冷水進出口溫差的增大，冷水機組蒸發溫度降低，單位質量有效能損失呈明顯上升。機組的冷量和軸功率均相應下降，但是下降的幅度有很大的不同，蒸發溫度降低1℃，冷量減少1.8%～6%；而軸功率減少0～0.5%。降低蒸發溫度，則電機功率增加，尤其是冷水初溫降低至5℃時，電機功率明顯上升。但當冷水溫差不變時，冷水機組進出口水溫越低，制冷劑的蒸發溫度越低，相應冷水機組的效率就越低，因此，在大溫差下冷水機組的制冷量可能小于常規溫差的制冷量。所以，隨著水流量的減小，整個系統的總能耗是逐漸減小的，冷卻水水泵、冷凍水水泵及冷卻塔的能耗也是逐漸降低的，而壓縮機的能耗則反而可能會增多。這個變化趨勢是與水流量減小而水溫差增大有關的，需對具體問題進行分析。
二、大溫差系統末端設備選擇
由于水系統末端設備(中央空調箱、風機盤管等) 通常按照冷凍水供、回水5℃溫差進行設計和制造，故人們擔心現有的水系統末端設備應用于大溫差小流量系統時，能否提供充足的冷量和合適的中央空調出風溫度。通過電腦選型軟件（如特靈公司的 TOPSS 軟件），在冷凍水供、回水溫差分別為 5.6℃、8℃、10℃時，比較所選擇水盤管的排數，以便判斷是否需要更新水系統末端設備。
結果顯示：采用冷水大溫差后，同一中央空調機組的制冷量可能增大也可能減少。經試算，在給定的大溫差ΔT下，要保證相同冷量，可以降低冷水大溫差的供回水溫度，這樣可以減少中央空調機組的型號尺寸，降低系統的一次投資。反之，若升高冷水供、回水溫度，中央空調機組的冷量將減少。所以，為保證系統的冷量，可增加表冷器的排數或增加表冷器的迎風面積，增加系統的一次投資費用。其經濟性需對具體項目進行綜合分析比較。
中央空調節能是大趨勢，科學生產技術的進步必將為我們提供更好的節能空調設備，空調系統領域的理論分析的不斷深入和升華，也會為我們指出更多的節能途徑。降低空調的整體能耗,不僅需要提高空調設備的自身效率,還需要優化系統。在同等初投資的前提下如何優化系統是我們研究的關鍵。傳統的設計工況并非最佳運行工況,引入大溫差就是想利用這些潛在能力。所以在實際運用中,我們需要根據不同情況進行分析,在合理的溫差范圍內利用大溫差。諸多實例表明其是切實可行的，具有廣闊的應用前景。
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