關于蒸氣壓縮循環冷水機組名義工況污垢系數的探討

王希星

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

關于蒸氣壓縮循環冷水機組名義工況污垢系數的探討

王希星*

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

本文針對冷水機組能效測試名義工況在不同標準、規范之間的分歧，重點討論了GB/T 18430.1關于污垢系數的調整、調整原因及其帶來的影響。提出應根據我國氣候和水質條件對污垢系數進行重新修訂，并且指出標準規范編制和修訂過程中應注重對既有標準規范的銜接。

冷水機組；名義工況；污垢系數

0 引言

在以水為載冷介質的大型集中式空調系統中，冷水（熱泵）機組作為系統的核心，其設備的選型是一項重要的工作內容。同時，冷水（熱泵）機組作為空調系統的主要耗電設備，其性能的優劣對于系統的節能效果有重大影響。性能系數（COP）和綜合部分負荷性能系數（IPLV）是與節能工作相關的兩個主要指標。

國家標準GB 19577-2004《冷水機組能效限定值及能源效率等級》[1]于2004年8月正式發布并于2005年3月正式實施，依據名義工況下性能系數的大小標準將蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組的能源效率水平分為5個等級，見表1。

根據國家標準GB 19577-2004《冷水機組能效限定值及能源效率等級》[1]的內容，GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》[2]（以下簡稱“GB 50189”）對冷水（熱泵）機組的 COP、IPLV提出了相應的要求。其中第5.4.5條規定：“電機驅動壓縮機的蒸氣壓縮循環冷水熱泵機組在額定制冷工況和規定條件下性能系數（COP）不應低于 5.4.5的規定。”表2摘錄對于制冷性能系數的要求。

隨著政府主管部門對節能工作的重視，在工程設計選型過程中 5.4.5條得到了很好的執行，也達到了很好的效果。

表1 GB19577-2004規定的能源效率等級指標[1]

表2 GB 50189-2005冷水（熱泵）機組制冷性能系數要求[2]

1 問題的提出

GB 50189第5.4.5條并未直接說明“額定制冷工況”和“規定條件”，但在“條文說明”中對此進行了相應的解釋：“至于確定名義工況時的參數，則根據國家標準《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組 工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組》GB/T 18430.1-2001[3]中的規定，即：1）使用側：制冷進/出口水溫12/7℃；2）熱源側（或放熱側）：水冷式冷卻水進出口水溫 30/35℃，風冷式空氣干球溫度35℃，蒸發冷卻式空氣濕球溫度 24℃；3）使用側和水冷式熱源側污垢系數0.086 m2·℃/kW。”條文解釋中的內容與GB/T 18430.1-2001《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組》（以下簡稱“GB/T 18430.1-2001”）3.3.2條、3.3.3條的相關內容吻合。

而GB 19577-2004《冷水機組能效限定值及能源效率等級》引用的是“GB/T 18430. 1《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途冷水(熱泵)機組》”，并在“規范性引用文件”指明“凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標準”。即2007年11月5日發布的GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組》（以下簡稱“GB/T 18430.1-2007”）適用于GB 19577。GB/T 18430.1-2007[4]對相關“名義工況”進行了調整，原3.3.2條調整為4.3.2.1條，原3.3.3條調整為4.3.2.2條。主要變化見表3。

從表3可以看出，GB/T 18430.1-2001名義工況的溫度條件規定蒸發器和冷凝器的水流量不盡合理，GB/T 18430.1-2007改為蒸發器和冷凝器的出水溫度和水流量，這樣更接近實際的運用，同時也給制造廠商的試驗帶來極大的方便；另外一個大變化就是蒸發器側污垢系數由0.086降低為0.018，冷凝器側污垢系數由0.086降低為0.044。

表3 GB/T 18430.1調整前后對“名義工況”的主要改動

綜上可見，GB 50189冷水機組名義工況的污垢系數大（0.086），而GB 19577的污垢系數小（0.018和0.044），這種分歧將造成實際應用的困難和機組能效評估的混亂。為了理清個中關系并為名義工況中污垢系數的合理選擇提供依據，很有必要對國外污垢系數調整歷程及其背后的原因進行分析，在此基礎上，結合國內具體情況選擇適合我國國情的冷水機組名義工況污垢系數。

2 美國和日本標準關于名義工況污垢系數的規定

GB/T 18430.1-2001由國家質檢總局2001年8月30日批準，2004年4月1日起執行，以替代JB/T 4329-1997《容積式冷水熱泵機組》和 JB/T3355-1998《離心式冷水機組》。標準參考采用美國空調制冷協會ARI 550/590-1998《蒸氣壓縮循環的冷水機組》[5]和日本工業標準JIS B 8613-1994《冷水機組》[6]、JIS B 8621-1995《離心式制冷機》[7]。

美國空調制冷協會（ARI）是北美地區暖通空調設備制造商組成的行業組織，工作重點之一是針對暖通空調設備制定一系列標準，其標準在世界范圍內具有相當的權威性和影響力。

美國空調制冷協會對其 ARI標準工況不斷進行著修改[5,8-12]，見表 4。從表4中可以看出：ARI水冷冷水機組空調工況的進出水溫度沒有變化；水側污垢系數有不斷降低的趨勢。

表4 冷水機組ARI標準空調工況的變化

ARI 550-1983的冷凍水和冷卻水側的污垢系數都是 0.086 m2·℃/kW，ARI 550-1992降為 0.044 m2·℃/kW，到 ARI 550/590-1998才降為現在的冷凍水側0.018 m2·℃/kW和冷卻水側0.044 m2·℃/kW。

ARI 550/590于2003年進行了修訂，即“2003 STANDARD FOR PERFORMANCE RATING OF WATER CHILLING PACKAGES USING THE VAPOR COMPRESSION CYCLE”（以下簡稱ARI 550/590- 2003），其名義工況(Standard Rating Conditions)并無變化。

2007年日本標準化委員會審議通過日本工業標準JIS B 8621《離心式冷水機組》，其中第7.2.1條對標準額定工況做了規定[7]，水冷式設備相關數據見表5。

從參照規范的相關條文內容可以看出，GB/T 18430.1-2001中規定的“名義工況”結合了 ARI 550/590-1998 和 JIS B 8621-1995，而 GB/T 18430.1-2007認為原標準的污垢系數虛高，修訂時降低了污垢系數，污垢系數完全按照 ARI 550/590-2003的規定。

那么為什么 ARI標準中的水側污垢系數能夠逐漸降低，而日本工業標準仍然堅持規定冷凍水和冷卻水側的污垢系數為0.086 m2·℃/kW?

對于新制造的冷水機組，水側同制冷劑側一樣,其污垢系數可近似視為零。造成水側結垢的原因是多方面的，有水質狀況、水中有機物的生成和維護保養情況等。正如ARI指導書E-1988[13]中指出的“ASHRAE的研究表明：水的化學成分在限定范圍內且無生物有機物和固態懸浮物，并對冷卻塔進行良好維護保養的情況下，機組短期內的水側污垢系數不超過0.018 m2·℃/kW。”即ARI標準水側污垢系數的降低是基于進行初次和定期的水處理并每年進行清洗保養，故其值的確定是有條件的[14]。美國 ARI標準是在定期的水處理和清洗保養的前提下才逐漸降低污垢系數的。

表5 JIS B 8621標準額定工況相關數據

3 我國的實際情況及污垢系數調整的影響

由于水中鹽類及懸浮物濃縮，以及在冷卻塔與大氣接觸中，循環水水質惡化，使循環水系統的腐蝕、結垢和生物污染成為3個突出的問題。從而造成傳熱效率下降，設備壽命縮短，嚴重的出現設備穿孔、管道堵塞，甚至被迫停機。而忽視水質處理又是我國循環水系統管理中普遍存在的一個突出問題。

誠如 GB/T 18430.1修訂稿在征求意見時有的專家指出的[15]，我國大氣污染比發達國家嚴重，特別是由于地理、氣候、沙塵、植被及污染治理等原因，大氣中塵土(顆粒物)濃度比發達國家的要高，而我國冷水機組的冷卻塔均為開啟式，冷卻水直接與大氣接觸(不像國外用封閉式冷卻塔)，所以冷卻水實際在清洗大氣而較臟，特別是塵土含量高，這是一般水處理設備不能處理的，因為都是微塵，在冷凝器中易附著，更不用說微生物了。另外，我國的實際運行管理水平不高，對兩器的清理維護也無章可循，一般用戶也無人指導和缺乏合適的清掃工具(特別是中小用戶)。由此可見，在我國環境條件和管理水平與美國相差如此懸殊的情況下，照搬美國標準選取過小的污垢系數，嚴重脫離中國實際，也就失去了該標準對行業的實際指導意義。所造成的直接后果就是，由于GB 19577-2004引用GB/T 18430.1，未注明版本，如非特別說明，廠家更樂意提供GB/T 18430.1-2007“名義工況”下的數據。如果按這么小的污垢系數設計的換熱器，在中國的使用條件下，污垢熱阻很快達到額定設計值，不能滿足起碼的制冷周期的需要，要么頻繁停機清洗傳熱管，增加運行成本，甚至減少產量；要么使能耗增大、制冷量減少，這與系統安全運行和節能環保的要求是違背的。

從制訂標準的目的來講，應該是為了淘汰落后產品，促進技術進步，提高能源使用效率。按照GB/T 18430.1-2007所規定的“名義工況”實際上是降低了對設備效率的要求，這與社會發展的方向是背離的。應該在提高循環水系統水質及水處理要求的基礎上，逐漸降低污垢系數。從這個角度上來說，冷凝器側污垢系數0.086 m2·℃/kW更接近我國的目前實際情況，在校核確認設備是否滿足GB 50189、GB 19577-2004能效限定值時，“名義工況”應按GB/T 18430.1-2001執行。

4 結語

冷凝器側污垢系數0.086 m2·℃/kW更接近我國的目前實際情況，在校核確認設備是否滿足GB 50189、GB 19577-2004能效限定值時，“名義工況”宜按GB/T 18430.1-2001執行；建議全國冷標委在GB/T 18430.1進行后續修訂時，對水側污垢系數進行相應的考慮。

從對于日后標準制訂的借鑒意義上來說，各標準管理歸口單位需加強溝通和協調，GB 19577由全國能源基礎與管理標準化技術委員會合理用電分技術委員會歸口，GB/T 18430.1由全國冷凍空調設備標準化技術委員會歸口，GB 50189由中國建筑科學研究院中國建筑業協會建筑節能專業委員會主編。不同的單位相互之間往往缺乏有效的溝通。在我們查閱標準、規范的過程中往往會發現不同標準、規范之間的矛盾之處。這不僅影響標準和規范的嚴肅性，也造成實際應用的困難。標準規范編制過程中應注重對既有標準規范的銜接、對國外標準規范的合理吸收和對本土實際情況的考慮，同時減少利益方的影響。

[1]GB 19577-2004, 冷水機組能效限定值及能源效率等級[S].

[2]GB 50189-2005, 公共建筑節能設計標準[S].

[3]GB/T 18430.1-2001, 蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組[S].

[4]GB/T 18430.1-2007, 蒸汽壓縮循環冷水(熱泵)機組工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組[S].

[5]ARI Standard 550/590-1998, Water-chilling packages using the vapor compression cycle[S].

[6]JIS B 8613-1994, 冷水機組[S].

[7]JIS B 8621-1995, 離心式制冷機[S].

[8]ARI Standard 550-1983, Centrifugal and rotary waterchilling packages[S].

[9]ARI Standard 590-1981, Positive displacement compressor water-chilling packages[S].

[10]ARI Standard 550-1992, Centrifugal and rotary waterchilling packages[S].

[11]ARI Standard 590-1992, Positive displacement compressor water-chilling packages[S].

[12]ARI Standard 550/590-2003, Performance Rating of Water-chilling packages using the vapor compression cycle[S].

[13]ARI Guideline E21988, Fouling factors: A survey of their application in today[S].

[14]衛宇. ARI空調工況與中國空調工況的差異對水冷冷水機組滿負荷效率的影響[J]. 暖通空調, 2000, 30(4): 67-69.

[15]全國冷標委秘書處. GB/T 18430.1(修訂)征求意見稿反饋意見匯總[R].

Discussion on Fouling Factor of Water-chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle under Nominal Conditions

WANG Xi-xing*
(Tongji Architectual Design (Group) Co., Ltd, Shanghai 200092, China)

Based on the contradiction between different standards on nominal conditions of water-chilling packages, the discussion was focused on the adjustment of fouling factor in GB/T 18430.1, the reason of adjustment and the effect of it. It was put forward that fouling factor should be revised according to Chinese climate and water conditions, and special attention should be paid to link the existing standards in the process of standard preparation and revision .

Water-chilling packages; Nominal condition; Fouling factor

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.203

*王希星（1982-），男，工程師，工學碩士。工作方向：暖通、動力設計。聯系地址：上海市四平路1230號302室，郵編：200092。聯系電話：021-35375429。E-mail：33wxx@tjadri.com。