大温差空调水系统能耗分析研究

大温差空调水系统能耗分析研究

吕胜华   陈朋飞

中国建筑第八工程局华南分公司

摘要本文通过对大温差的冷冻水和冷却水系统的分析研究，得出当采用大温差系统时，空调水泵的输送能耗由于流量下降均会下降。空调冷水系统在冷冻水、冷却水均采用大温差系统时，节能效果比单独采用大温差系统好，节能效果显著。

关键词大温差;冷冻水;冷却水;性能系数;

Analysis on Energy Consumption of Large Temperature Difference in Air Conditioning Water System

Lv Sheng-hua1  Pan Yang-yang2 Mo Shi-heng3

1 China Construction Eighth Engineering pision.CO.LTD

         2 Guang dong Metallurgical and Architectural Design Institute.Co.LTD

3 China Construction Eighth Engineering pision.CO.LTD

4 Trane Air Conditioning System (China) Co. LTD

Abstract:Based on the analysis of chilled water and cooling water system with large temperature difference, it is concluded that when adopting large temperature difference system, the energy consumption of air conditioning pump will decrease due to the decrease of flow. When both chilled water and cooling water adopt large temperature difference system, the energy-saving effect is better than that of single large temperature difference system, and the energy-saving effect is remarkable.

Keywords: Large temperature difference; chilled water;cooling water;performance coefficient;

一、引言

我国“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要指出，为实现碳达峰、碳中和目标，“十四五”期间要保证能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，单位国内生产总值能源消耗和 CO2 排放分别降低 13. 5% 和 18. 0%（1）。随着我国社会经济、技术飞速发展，大型建筑、公共建筑日益增多，建筑能耗在我国的能耗结构中所占比重越来越大。建筑能耗占社会总能耗比重超过30%，且仍在不断提高。中央空调系统的能耗在建筑总能耗中占比较大，约占其总能耗的50%。而空调耗电量中，制冷机房系统（含冷水机组、水泵及冷却塔）耗电量又占空调总耗电量的85％左右（2）。因此降低制冷机房系统的能耗对实现国家碳达峰、碳中和目标有重要的意义。大温差空调系统技术是降低制冷机房系统能耗直接有效的方法之一，对降低空调能耗有重大的意义。

二、大温差冷冻水系统分析研究

（一）大温差冷冻水对冷水机组能耗的影响

制冷机房内的冷冻水系统主要由冷水机组、冷冻水泵组成。当冷冻水进出口温差发生改变，冷水机组的蒸发温度也会相应的发生变化，由此带来冷水机组性能的改变（3）。本文以常规离心式冷水机组、螺杆式冷水机组为例，探讨分析冷水机组在不同冷冻供回水温度下，满负荷运行时，冷水机组COP的变化。

表1-1 700RT离心式冷水机组在不同冷冻水工况条件下的COP

图1-1 700RT离心式冷水机组在不同冷冻水工况条件下的COP

由表1-1和图1-1分析得出：

（1）冷冻水供水温度对两种冷水机组的COP影响比较大，当温差固定，冷水机组的供水温度由5℃提高到10℃，COP提高约为19%左右。

（2）当冷冻水供水温度恒定时，冷冻水供回水温差变化时，两种冷水机组的COP变化不大。

（二）大温差冷冻水对水泵能耗的影响

当采用大温差冷水系统时，冷水流量减小，根据公式（1）可知，在制冷量不变的情况下，冷水流量与供回水温差成反比

（4）。

G=   （1）

式中：G—水流量；—水的密度；—水的比热容；△t—供回水的温差。

由公式（1）计算得出不同温差下流量之比，如下表1-2：

表1-2不同温差下流量之比

根据水泵的流量、扬程、功率和转速间的关系如下（5）：

（2）

)2（3）

)3 （4）

式中：G—水泵流量；—水泵扬程；—水泵功率；n—水泵转速

由公式（2）~（4）得出水泵的功率与流量的三次方成正比关系。不同温差下水泵的功率之比如下表1-3：

表1-3 不同温差下水泵的功率之比

由表1-3可以看出，当供回水温差有5℃提高到6℃，温差虽然只提高了1℃，但是水泵的功率只有原来的57.9%，功率下降的幅度超过40%，节能潜力巨大。

（三）大温差冷冻水能耗案例分析

以一台2462Kw离心式冷水机组的冷冻水系统为案例进行分析，选取实际工程中最为常用的5种冷冻水供回水温度条件下的运行工况，如下表1-4：

表1-4 冷水机组在不同冷冻水工况条件下的运行工况

冷水机组在不同供回水温差的条件下，冷冻水泵选型如下表1-5：

表1-5 冷冻水泵在不同冷冻水工况条件下的选型表

水泵的功率计算公式如下：

kA  （5）

式中：N—水泵功率（KW）；G—水泵流量(m3/h)；H—水泵扬程(m)；—水泵效率（取83%）；kA—电机容量安全系数（取1.1）

由表1-4和1-5可以计算出冷水机组在冷冻供回水温差为5℃（7-12℃）、6℃（7-13℃）、6℃（6-12℃）、7℃（7-14℃）和7℃（6-13℃）条件下冷水机组加上冷却水泵的功率分别为445.5Kw、425.5Kw、438.3Kw、417.3Kw和429.1Kw。冷冻水系统在5种不同供回水温度的条件下总功率由小到大为7℃（7-14℃）＜6℃（7-13℃）＜7℃（6-13℃）＜6℃（6-12℃）＜5℃（7-12℃）。由此可以看出采用大温差的冷冻水系统都比常规5℃（7-12℃）总功率要低，其中7℃（7-14℃）总功率最低，比常规5℃（7-12℃）总功率低28.2Kw，节能率达到6.33%。

三、大温差冷却水系统分析研究

（一）大温差冷却水对冷水机组性能的影响

冷却水系统主要由冷水机组、冷却水泵和冷却塔组成。当冷却水进出口温差发生改变，冷水机组的冷凝温度也会相应的发生变化，由此会带来冷水机组性能的改变（6）。本文以离心式冷水机组为例，探讨分析冷水机组在不同冷却供回水温度下，满负荷运行时，冷水机组COP的变化。

表2-1 700RT离心式冷水机组在不同冷却水工况条件下的COP

图2-1 700RT离心式冷水机组在不同冷却水工况条件下的COP

由表2-1和图2-1可以看出，在相同冷却水进出水温差的条件下，冷却水进水温度越低，冷水机组的COP值越高，制冷性能越好；在相同的冷却水进水温度的条件下，进出水温差越大，冷水机组的COP值反而越低，主要是由于冷却水流量的减少和冷却水出水温度升高的原因，导致冷水机组的制冷能力的下降（7）。

（二）大温差冷却水对水泵能耗的影响

与本文1.2章节影响一样，不在单独讨论。

（三）大温差冷却水能耗案例分析

同样以一台2462Kw离心式冷水机组的冷却水系统为案例进行分析，选取实际工程中最为常用的5种冷却水进出水温度条件下的运行工况，如下表2-2：

表2-2 离心式冷水机组在不同冷却水工况条件下的运行工况

表2-3 冷却水泵在不同冷却水工况条件下的选型表

表2-4 冷却塔在不同冷却水工况条件下的选型表

注：冷却塔湿球温度按27℃选型

由表2-2和2-3可以计算出冷水机组在冷却进出水温差为5℃（32-37℃）、5℃（31-36℃）、6℃（31-37℃）、6℃（30-36℃）和7℃（30-37℃）条件下冷水机组、冷却水泵和冷却塔的总功率分别为460.5Kw、454Kw、439.5Kw、437Kw和432Kw。冷却水系统在6种不同进出水温度的条件下总功率由小到大为7℃（30-37℃）＜6℃（30-36℃）＜6℃（31-37℃）＜5℃（31-36℃）＜5℃（32-37℃）。由此可以看出7℃（30-37℃）总功率最低，比常规5℃（32-37℃）总功率低28.5Kw，节能达到6.19%。

四、大温差空调水系统能耗分析

空调水系统由冷冻水系统、冷却水系统组成。根据上文分析，冷冻水系统和冷却水系统采用大温差时均能达到节能效果，现分析空调水系统在冷冻水供回水温度7/14℃、冷却水系统进出水温度在30/37℃(7℃温差）的工况条件下对冷水系统能耗影响分析。

表3-1冷水机组在不同工况条件下的运行工况

表3-2 冷冻水泵在不同工况条件下的选型表

表3-3 冷却水泵在不同工况条件下的选型表

表3-4 冷却塔在不同工况条件下的选型表

 由上表可以计算出冷水机组水系统在不同工况下总耗电功率，工况1（常规工况）总耗电功率为510.5KW，工况2总耗电功率为454，工况2比常规工况1耗电量下降56.5KW，

节能达到11%，节能效果显著。

四、结论

（1）冷冻水供水温度对冷水机组的COP影响比较大，当温差固定冷水机组的供水温度越高，主机的能效越高。

（2）当冷冻水供水温度恒定时，冷冻水供回水温差变化时，冷水机组的COP变化不大。

（3）冷冻水系统和冷却水系统，当采用大温差系统时，空调水泵的输送能耗都会下降。

（4）冷冻水系统采用不同供回水温度时，7℃（7-14℃）总功率最低，比常规5℃（7-12℃）总功率低28.2Kw，节能达到6.33%。

（5）冷却水系统采用不同进出水温度时，7℃（30-37℃）总功率最低，比常规5℃（32-37℃）总功率低28.5Kw，节能达到6.19%。

（6）空调冷水系统在冷冻水、冷却水均采用大温差系统时，节能效果比单独采用大温差系统好，冷冻水系统在供回水温差7℃（7-14℃）、冷却水系统在进出水温差7℃（30-37℃）时，主机能效COP与标况时一致，蒸发器与冷凝器水流量均变小，水泵功率均下降，节能达11%，节能效果显著。

参考文献

[1] 魏汝华， 王一枫．大温差供冷系统设计分析及应用．华电技术．2021，Vol.43 N0.10

[2] 李志浩．基于建筑节能的暖通空调节能措施．电力需求侧管理．2004，6(4):49-50

[3] 闫 闯， 李华新等．冷水大温差对制冷设备能耗影响分析．暖通空调．2022年第52卷增刊1：57-59

[4] 范军辉，王梦云．大温差空调水系统节能设计探讨．暖通空调．2017年第47卷增刊1：115-117

[5] 陆耀庆． 实用供热空调设计手册． 北京：中国建筑工业出版社，2008

[6] 程昕．大温差冷却水对冷水机组性能的影响研究．湖南：南华大学硕士学位论文，2015

[7] 韩彦斌．水冷式冷水机组大温差运行特性试验．制冷与空调．2016年第16卷第2期：56-61