公用設施中冷水機組冷凝形式的對比分析

孫榮亮，張青，李文靜，閔殿祥

（中國科學院上海應用物理研究所，上海 201204）

0 引言

2012年國務院發布了《國務院關于印發“十二五”節能減排綜合性工作方案的通知》[1]，以推動節能環保產業快速健康發展。新建工程項目均以節能環保和經濟實用為主題?？照{及工藝冷卻系統作為各種工程項目必備公用設施，也隨著國家對科研發展的投入，迎來了新的發展契機及挑戰。在科研實驗站的搭建中，公用設施的經濟投入、場地規模、運行費用均占據很大比例[2]。如何優化公用設施的設計或優化改造已有設施，可以既滿足主體設施的需要，又降低成本，已經是行業內摸索探尋的首要問題。

隨著蒸發式冷凝器的出現，水冷與風冷平分秋色已成歷史；水冷式、風冷式、蒸發冷式冷水機組已成市場鼎足之勢。蒸發式冷凝器是將淋灑式排管冷卻器和循環冷卻塔有機結合的一種新型冷卻設備，利用水分蒸發和空氣強制循環來帶走凝結熱量，以冷卻壓縮機排出的高溫高壓過熱制冷劑蒸汽，使之冷凝成液體，集二者優點于一體，可廣泛應用于石油化工、輕工醫藥、制冷空調、食品冷藏等諸多行業中，適用于大中型制冷裝置中[3]。如圖1所示，蒸發式冷凝器采用逆流式結構，主要包括風筒、軸流風機、箱體、收水器、布水器、冷卻換熱管組、鋼結構架、風窗、水池、循環水泵、浮球閥等。其中，冷卻管并聯使用，換熱面積大，系統阻力??；整體結構緊湊，占地面積?。荒K化設計，獨立單元操作，可根據系統生產能力任意增加或調整。從節能環保及節約資源方面，三種冷水機組各有優劣。冷水機組冷凝形式的選擇，受多因素制約[4]。冷負荷在700 kW ～ 1500 kW范圍內的冷凝形式選擇，仁者見仁、智者見智。

本文通過節能、環保、經濟、實用四個方面，對風冷、水冷、蒸發冷三種冷凝方式進行交叉對比分析，探究該負荷范圍內哪種系統綜合性價比更高。

圖1 蒸發冷原理示意圖

1 冷水機組的能效

考慮機組的制冷能力時，首先需要針對機組的壓縮機形式做分析對比（如表 1所示）。中央空調系統中，壓縮機形式的選擇，通常以制冷量及制冷系數為主要依據[5]。近十年來，多機頭并聯機組和變頻技術的普及，推動了機組多樣性設計。渦旋機和活塞機的多機頭并聯機組，從十幾千瓦到幾百千瓦均有采用；螺桿機和離心機在多變工況時，變頻調節也大大提高了能效比。

表1 各種壓縮形式冷水機組的性能對比

1.1 額定負荷能效對比

冷水機組的制冷能力與壓縮機排氣量和蒸發端換熱效果有直接關系，而冷凝端的冷凝能力直接決定系統的耗功以及能效比。以圖2制冷循環壓焓圖為證：任何一種制冷劑在制冷系統運行中，飽和蒸發溫度、過熱度、過冷度均設定時，消耗功率(W=h3-h2)隨冷凝壓力升高而增大；單位制冷量(Q=h2-h1)隨冷凝效果減弱而減少，制冷劑循環量也會隨系統循環效率降低。依據制冷劑的特性，兩相區內壓力與飽和溫度一一對應，壓縮機排氣壓力隨著冷凝溫度的升高升高，能耗會有所加大，所以冷凝溫度的高低也是決定制冷循環能耗的重要參數。

圖2 制冷循環壓焓圖

依據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012[2]可得標準空調工況下：水冷式冷水機組設計冷凝溫度為35℃，蒸發冷式冷水機組設計冷凝溫度為40℃，風冷式冷水機組設計溫度為45℃。由此可知，同冷媒同型號壓縮機所匹配的不同形式冷水機組中，單位制冷量方面水冷式最大，蒸發冷式其次，風冷式最?。粔嚎s機耗能方面風冷式最大，蒸發冷式其次，水冷式最小。但是，系統耗能分析時，不得不考慮除壓縮機以外的動力設備耗能。

如圖3所示，水冷機組的附屬動力設備有冷卻水循環泵及冷卻塔；蒸發冷式機組有蒸發式冷凝器（風機及冷卻水泵）；風冷式機組有風冷式冷凝器用風機。在能效比方面，行業內已經得出明確經驗結論，通常冷量1500 kW以上大型冷水機組選用水冷式為優，冷量500 kW以下小型冷水機組選用風冷式為優。冷量在500 kW～1500 kW范圍冷水機組，冷凝形式選擇上往往存在分歧?，F針對冷量為750 kW 中央空調系統進行能效比對，機組采用麥克維爾單螺桿冷水機組，其中蒸發冷式冷水機組為本文非標準設計，機組技術參數源自《麥克維爾冷水機組培訓技術手冊》[6]。

由表2數據可知，冷量在750 kW左右的中央空調綜合能效對比中，水冷式機組較風冷式機組節能 10.9%；而蒸發冷式冷水機組較風冷式節能16.4%，較水冷式節能6.2%。

實際工作中，冷水機組長年以額定負荷運行的項目非常少?？照{用冷水機組除開機滿負荷外，98%的工作時間負荷率在70%以下[4]；不具備負載調整能力的機型除外。

圖3 不同冷凝形式冷水機組原理簡圖

表2 三種冷凝形式冷水機組額定負荷能效對比表

1.2 部分負荷能效對比

暖通及制冷項目設計選型時，設計者往往會考慮業主追求設備最大利用率以及應對特殊情況時的設備負荷余量，選型放大系數通常為5%～15%[2]。制冷設備又均以開機時滿負荷運行，維持工況時多以半負荷工作。據《風冷和水冷式冷水機組的運行能耗分析》[4]結論，風冷式與水冷式機組部分負荷性能參數 IPLV（源自美國空調與制冷協會 1998 ARI 550/590標準[7]）對比中，1050 kW的風冷式機組 IPLV較水冷式大 3.61%。這一微弱優勢源自風冷式冷凝器多風機的可調節性，使得該負荷領域的風冷式機組年運行能耗較水冷式略低。這也進一步論證了年運行時越長，風冷式較水冷式更節能這一經驗結論。

采用蒸發冷式冷水機組的工藝水系統縮小了冷卻水循環量，風冷與風冷/噴淋結合的雙級調節方式也從細節上起到了節能的效果。所以，部分負荷能效對比中，蒸發冷式機組同樣優于風冷式與水冷式。

2 冷水機組的環境負荷

中央空調系統為維護空調空間的溫度與濕度，利用電能及空調設備實現了室內外能量的搬運及空氣中含濕量控制的同時，中央空調的機房則會產生一定量的噪聲。從表2中我們可以看到，水冷式機組與蒸發冷式機組噪聲相對小一些，但是水冷式機組的冷卻水循環泵也是主要噪聲源之一，立式泵噪聲較小，臥式泵運行噪聲不可忽略。風冷式機組因為其排氣壓力最高，壓縮機的噪聲也很大；一體式風冷冷水機組因其噪聲大，設備體積龐大，通常設計成室外型[5]。

除噪聲與對室外環境換熱外，蒸發式冷與水冷式機組的冷卻塔對機房附近的大氣環境也有很大影響。蒸發式冷凝系統與普通冷卻塔同屬開式水循環系統，雨水、風、雷電、甚至補水都會對水質產生影響。為控制冷卻水水質，現今最流行的維護方式仍然是投藥處理。防垢、防銹、殺菌、除藻等水體問題因為投藥工藝而解決，但投藥后的冷卻水一旦蒸發，溶液濃度升高，會強烈腐蝕排水管附近的金屬焊接點及零部件（如圖3所示）。

圖3 投藥水系統冷卻塔附近被腐蝕的管道支架及管道排污閥

另外，冷卻塔夏季蒸發量大，周圍空氣濕度大藻類細菌容易滋生，水處理不當，嚴重時冷卻塔會成為散播致軍團病的載體。若冷卻塔附近有煙囪類排煙設施，水汽與煙霧混合后也易產生酸霧，威脅到周圍幾百米范圍內常駐人員的身體健康。

3 冷水機組的經濟性

初投資與運行成本是衡量項目經濟性的兩大指標[6]。水冷式機組的冷卻水循環泵、管材、保溫增加了設備投資，機房的占地費及項目安裝費在當今城市項目建設中日益凸出。風冷式機組因為壓縮機功率大，變壓器等配電設備大；再有風冷冷凝器為銅管鋁翅片結構，銅管使用量大，造價較其他形式冷凝器昂貴。若采用分體式風冷機組，機房占地小，室外安裝占地面積較大；而一體式風冷機組機房占地面積是普通冷水機組的(2～3)倍[8]。蒸發冷式冷水機組既具備了風冷式的結構簡單，又兼備了水冷式主機占地小的優點。隨著蒸發冷加工工藝的成熟，蒸發式冷凝器價格比風冷式冷凝器低30%。所以，系統初投資方面，水冷式與風冷式相差無幾，蒸發冷式冷水機組的單位負荷造價略低。

運行成本方面如表2耗能對比所示，蒸發冷式冷水機組有一定的優勢。由圖3中三種系統的原理結構可以看出，蒸發冷式冷水系統與風冷式冷水系統結構相對簡單，安裝簡便且工時短，維護保養頻率小費用少；比水冷式機組長年運行費用更穩定，年運行時數越長越經濟。水冷式機組經統計，年補水量控制在3%以內，年度費用較低；長年運行后，水垢附著冷凝器、管路及冷卻塔，年運行費及維護工作量逐年遞增[3]；維護也較復雜，需要專門的維護人員。為維護水冷式機組的使用壽命，必須對冷卻水系統進行緩蝕、阻垢、殺菌、滅藻處理。冷量1000 kW左右的水冷式機組，若采用投藥式處理，年投藥費用在5萬左右。蒸發式冷水機組冷卻水循環量相對小，維護費用也相對少一些。總之，在中型空調系統中水冷式機組的冷量大，功率小的優點難以體現。

此外，蒸發冷式冷水機組與水冷式冷水機組的使用壽命為 20年左右，風冷式冷水機組平均使用壽命約為15年。

4 冷水機組的實用性

水冷式冷水機組受冷源約束，適用于水源較充足，水體礦物質含量小，長年風沙量小的地域。為保護冷卻水水質、周圍建筑及人群的安全，要求遠離工業煙囪和鍋爐煙囪。冷卻水循環管路需設施保溫，夏季保證冷卻效果，冬季防止水管凍裂。冷卻塔雖然換熱量大，結構簡單，但是在我國南方地區，夏季室外環境濕球溫度偏高，空氣含濕量大，夏季換熱效果會大打折扣，隨之冷凝溫度升高，機組功率呈線性升高（如圖2），需適當考慮冷水噴淋等補冷措施。水冷式系統結構復雜，只有用于較大型空調系統中才能發揮其制冷量大，能效比高的優點。

風冷式冷水機組最大的優點就是結構簡單、適應性強，風冷式機組以空氣為換熱源，不懼風沙也不受水源限制。北方地區因其冷凝端冬季不需要考慮防凍而廣泛應用。風冷式機組依據卡諾循環的原理，在南方多利用四通閥做成空氣源熱泵機組?？諝庠礋岜脵C組夏季不懼怕濕球溫度高，冬季可向室內供暖；冬季供暖屬于高效低能式運行，彌補了夏季耗電量高的缺點。

蒸發冷式冷水機組結構形式性能特點，介于水冷式與風冷式之間，既有冷水式機組的低冷凝溫度，又有風冷式機組結構簡單易安裝等特點。蒸發冷式機組適用于水源較稀缺，長年風沙量小的地域。北方深秋季節可以將蒸發冷循環水放掉，并加以保溫措施以防止水泵凍裂，冷凝形式變為風冷。由于蒸發冷管程內為高溫高壓制冷劑，南方夏季濕球溫度偏高的問題對其影響不大。即便是梅雨季節，蒸發冷也能很好的保證冷凝效果。早在 2000年左右，蒸發式冷凝器就以其特有的結構形式及換熱性能贏得了冷庫市場的青睞。隨著近年來中國制冷行業的蓬勃發展，國產蒸發式冷凝器已經解決了材質及換熱效率等匹配優化問題，市場價格已不再是用戶的主要考慮問題。

5 結論

綜上，中央空調或其它工藝冷卻系統在不同冷凝形式冷水機組的采用時，可以考慮本文結論：

1) 冷量需求大且有固定水源供應時，大型水冷式冷水機組仍是公用設施的不二選擇，過渡季節利用冷卻塔與板式換熱器配合也可以降低水冷式系統的能耗；

2) 冷量需求偏小的供冷系統，不分地區與環境，采用風冷式冷水機組綜合性價比最優；

3) 冷負荷在700 kW ～ 1500 kW的中大型冷水系統中，采用蒸發冷式冷凝的冷水機組，其結構簡單、性能可靠穩定、初投資低、能效比高、適應環境力強、占地面積小等優點表現出更為優越的市場前景。

總之，不同冷凝形式冷水機組的設計與建設時，受到能耗、環保、成本、實用性等客觀因素的制約，具體結構形式沒有絕對性，只有性價比的更優化，再經過與建筑結構，電氣控制，安全防護等專業的有機配合，才能更好的保護投資方的利益。公用設施水、風、電系統建設需要大膽創新，不斷的優化設計，才能夠更好的輔助主體機構的運行與需求。

[1] 國務院. 國務院關于印發“十二五”節能減排綜合性工作方案的通知[EB/OL]. (2011-09-07). http://www.gov.cn/zwgk/2011-09/07/content_1941731.htm.

[2] GB 50736-2012, 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2012.

[3] 吳繼紅, 李佐周. 中央空調工程設計與施工[M]. 北京:高等教育出版社, 2001.

[4] 丁云飛, 冀兆良. 風冷和水冷式冷水機組的運行能耗分析[J]. 制冷, 1999, 18(4): 76-79.

[5] 余江海, 陸震, 范林. 蒸發式冷凝器應用現狀及存在問題探討[J]. 制冷技術, 2001,21(2)33-36.

[6] McQuay Air Conditioning. 麥克維爾冷水機組培訓技術手冊[M]. 2012.

[7] A R I. Standard 550/590-98: Water Chilling Packages using the Vapor Compression Cycle[J]. Air-conditioning and Refrigerating Institute, Arlington, VA, USA, 1998.

[8] 岳孝芳, 陳汝東. 制冷技術及應用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 1992.