大溫差冷水系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的供/回水溫度研究

陸城軍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125）

大溫差技術(shù)在行業(yè)中運(yùn)用日益成熟，但在地鐵行業(yè)內(nèi)，可見(jiàn)的是在廣州地鐵項(xiàng)目中有對(duì)多個(gè)車(chē)站設(shè)置大溫差集中供冷的運(yùn)用；而此次在上海地鐵23號(hào)線中，也擬將大溫差技術(shù)引入單個(gè)地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，擬在上海地區(qū)地鐵范圍內(nèi)首次運(yùn)用大溫差的車(chē)站冷水系統(tǒng)，且是單個(gè)車(chē)站的大溫差冷水系統(tǒng)運(yùn)用。

在設(shè)計(jì)運(yùn)用中，車(chē)站的空調(diào)末端能很好地適用于大溫差系統(tǒng)中，但將空調(diào)末端中的常規(guī)型風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組直接置于不同的冷水供/回水溫度系統(tǒng)中運(yùn)用時(shí)，在現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究和分析中，發(fā)現(xiàn)了一定的不足之處，因而受到一些質(zhì)疑，比如，在大溫差冷水系統(tǒng)中，供/回水溫度的設(shè)定參數(shù)值是否合適；在與設(shè)定供/回水溫度為7℃/14℃的大溫差冷水系統(tǒng)相比，進(jìn)一步降低供水溫度、而回水溫度不變或?qū)⒐?回水溫查差提高至10K時(shí)得到的大溫差冷水系統(tǒng)的研究方法，哪個(gè)更適合大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的運(yùn)用。

本文認(rèn)為，對(duì)含風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的冷水系統(tǒng)進(jìn)行大溫差小流量的有必要進(jìn)行研究。在研究中，本文關(guān)注的是，基于適合地鐵冷水系統(tǒng)的大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管的空調(diào)供回水系統(tǒng)最佳參數(shù)研究。

1 大溫差冷水系統(tǒng)的供/回水溫度

1.1 確定供/回水溫度的原則

大溫差冷水系統(tǒng)中冷水機(jī)組的供/回水溫度既決定于冷水機(jī)組，也更決定于能使得風(fēng)機(jī)盤(pán)管在新的供/回水溫度下冷量能保持不變的條件。也就是說(shuō)，供/回水溫度不是隨意可指定的。例如，我們所提倡的大溫差冷水系統(tǒng)其主要特征：在冷水系統(tǒng)中冷水機(jī)組的供/回水溫度為7℃/14℃。7℃/14℃也是該系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供/回水溫度。為保證空調(diào)環(huán)境符合設(shè)計(jì)要求，因此，風(fēng)機(jī)盤(pán)管與空調(diào)機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況（進(jìn)氣側(cè)）依然達(dá)到《風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組》GB19232所規(guī)定的冷量適合的大溫差冷水系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，應(yīng)能在新的供/回水溫度設(shè)定中，對(duì)空氣的冷卻處理能力與能效等其他性能均不會(huì)因冷水量減少而削弱，且它們的其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值仍符合國(guó)標(biāo)《風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組》GB/T 19232所規(guī)定的額定值。此外，系統(tǒng)中的冷水機(jī)組、冷水泵在新的供/回水溫度中的總能耗應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)冷水系統(tǒng)減少。

大溫差冷水系統(tǒng)研究思路，常規(guī)的組合式空調(diào)機(jī)組都是按使用的大溫差的供/回水溫度計(jì)算制造的，因此，未有不同看法。然后，在采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管時(shí)有著不同的思路。

思路1：降低供水溫度，回水溫度不變或提高至10K。詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]、[2]、[6]，這種研究分析有其特點(diǎn)是：

供冷能力：對(duì)于相同的進(jìn)水溫度，隨著供回水溫差不斷增大，冷量逐漸減小。

在3℃/13℃、4℃/12℃和5℃/12℃低溫大溫差工況下，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工況有所增強(qiáng)，但節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益也有一定的顯著。

除濕能力：對(duì)于相同的進(jìn)水溫度，隨著供回水溫差不斷增大而減小。

盤(pán)管阻力隨供回水溫差的增大而迅速減小。

思路2：我們所提倡的7℃/14℃大溫差冷水系統(tǒng)

“大溫差”只是區(qū)別“標(biāo)準(zhǔn)”而已，選取多少比較合適？

重點(diǎn)是7℃供水溫度不變，在風(fēng)機(jī)盤(pán)管外形及安裝尺寸、盤(pán)管表面根數(shù)、排數(shù)不變前提下，其主要技術(shù)性能如冷量、除濕能力不變的要求下，而能達(dá)到最大的7K供/回水溫差。其特點(diǎn)如下。

供冷能力：7℃/14℃、6℃/14℃、5℃/14℃供回水溫度，冷量都達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的額定值。

除濕能力：與常規(guī)型機(jī)組的參數(shù)相同。

盤(pán)管阻力：7℃/14℃時(shí)，稍高于常規(guī)型機(jī)組。類(lèi)似的觀點(diǎn)也有文獻(xiàn)[3]。

上海地鐵中常規(guī)使用的冷水系統(tǒng)，是標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)冷水系統(tǒng)7/12℃，23號(hào)線擬在上海地區(qū)地鐵范圍內(nèi)首次運(yùn)用大溫差的車(chē)站冷水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供/回水溫度為7/13℃。但同樣，也有建議23號(hào)線的冷水機(jī)組進(jìn)一步擴(kuò)大供/回水溫差，在相關(guān)文獻(xiàn)[4]、[5]中也說(shuō)明，供/回水溫度為7/14℃的定義更為適合。

1.2 常規(guī)型機(jī)組和大溫差機(jī)組主要技術(shù)性能的共性與差異

地鐵的空調(diào)系統(tǒng)含兩大內(nèi)容，其中之一是循環(huán)運(yùn)行的水系統(tǒng)；另一是含對(duì)空調(diào)區(qū)域提供經(jīng)處理后空氣、達(dá)到送風(fēng)要求的末端裝置 (如風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組、組合式空調(diào)箱等)。

要設(shè)計(jì)大溫差的冷水系統(tǒng)，冷水機(jī)組無(wú)論是采用水冷還是風(fēng)冷均不存在困難，末端機(jī)組中的空調(diào)箱選配一般也無(wú)難處，關(guān)鍵的是風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的選擇。

對(duì)于末端裝置而言，依據(jù)《風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組》GB/T 19232，在進(jìn)風(fēng)干球溫度27℃、濕球溫度19.5℃時(shí)，所得到的冷量才可作為其標(biāo)準(zhǔn)冷量。而改變末端裝置的進(jìn)風(fēng)參數(shù)或供/回水溫度均會(huì)改變其冷量、水阻力等性能。有些企業(yè)在常規(guī)型機(jī)組基礎(chǔ)上采取了一些措施，使其風(fēng)量、冷量、噪聲能符合國(guó)標(biāo)GB/T 19232規(guī)定的額定值，但在機(jī)組的輸入功率和盤(pán)管水阻力等性能參數(shù)中，還有一定的不足，會(huì)使得水系統(tǒng)的阻力過(guò)大或者過(guò)小，使得水系統(tǒng)的阻力失衡，不便于水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。一種適合的大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，它應(yīng)能在大溫差條件下仍具有標(biāo)準(zhǔn)冷量，它的其他技術(shù)性能如除濕量、水阻力等也應(yīng)維持或提升性能參數(shù)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]、[5]。地鐵空調(diào)系統(tǒng)中，主要設(shè)備是組合式空調(diào)及柜式空調(diào)機(jī)組，風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組常規(guī)用于出入口及換乘通道空調(diào)區(qū)域，常將風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的系統(tǒng)與非主要負(fù)荷區(qū)域的空調(diào)使用同一根冷水系統(tǒng)的水支管，如在大溫差冷水系統(tǒng)中使用了常規(guī)風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，因水阻力失衡，使得風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組所在的水系統(tǒng)擾動(dòng)增大，導(dǎo)致空調(diào)末端失衡。而為大溫差冷水系統(tǒng)量身打造的大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，在冷水水量降低時(shí)，也維持了合適的水流速及水阻力與非主要負(fù)荷區(qū)域的空調(diào)的參數(shù)相近，很好地避免了這一缺點(diǎn)，很好地維持了水系統(tǒng)的穩(wěn)定，也便于水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

1.3 對(duì)除濕功能的質(zhì)疑

對(duì)于大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的除濕能力有疑問(wèn)，那么除了在文獻(xiàn)[4]、[5]中有實(shí)測(cè)對(duì)比。說(shuō)明“常規(guī)型機(jī)組的除濕能力與大溫差機(jī)組的除濕能力相同；供水溫度相同，供回水溫差越小除濕能力越強(qiáng)；對(duì)于采用相同的供/回水溫差，降低供水溫度則有利于除濕能力的提高。”同樣采用相同的7℃設(shè)計(jì)供水溫度，則兩者的除濕能力也基本相同。

當(dāng)水系統(tǒng)的供/回水溫度發(fā)生了變化，制造商應(yīng)按要求重新設(shè)計(jì)盤(pán)管的性能以便采取措施，如增加排數(shù)、改變水流程和翅片的片距，甚至更換盤(pán)管系列等。這些能適用于空調(diào)箱的措施對(duì)于風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組卻因其結(jié)構(gòu)、尺寸等因素而無(wú)法全部得到施展，其中盤(pán)管的水阻力變化，也自然會(huì)受到關(guān)注。

大溫差機(jī)組改變了盤(pán)管的水流程，是對(duì)盤(pán)管結(jié)構(gòu)采取眾多措施中的一項(xiàng)，其目的是為弱化水流量減少對(duì)水側(cè)傳熱系數(shù)的影響，是保持盤(pán)管傳熱性能的一項(xiàng)重要舉措。

2 常規(guī)型機(jī)組用在大溫差冷水系統(tǒng)的考量

地鐵空調(diào)系統(tǒng)中除了組合式空調(diào)機(jī)組和部分柜式空調(diào)機(jī)組外，還會(huì)用到風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組。如在大溫差冷水系統(tǒng)中，建議采用大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，而非常規(guī)型機(jī)組。

不同的供/回水溫度的水系統(tǒng)均是一個(gè)獨(dú)立的體系。常規(guī)型機(jī)組是5K供/回水溫差水系統(tǒng)中的空調(diào)末端裝置，若將其用于大溫差冷水系統(tǒng)，為了加大供/回水溫差，僅降低系統(tǒng)低供水溫度而回水溫度不變；或既降低供水溫度又提高回水溫度。對(duì)于這兩種方案的可行性，取決于其冷量是否達(dá)到常規(guī)型機(jī)組的額定值。同時(shí)，還需綜合分析減少水量對(duì)降低水泵的輸入功率與降低供水溫度而增加冷水機(jī)組的輸入功率之間的得失。因此，不應(yīng)簡(jiǎn)單地將常規(guī)型機(jī)組用于大溫差空調(diào)水系統(tǒng)。只有當(dāng)水系統(tǒng)能耗不大于5K供/回水溫差水系統(tǒng)時(shí)，才有實(shí)施的可行性。供水溫度降低1℃或2℃，而回水溫度不變，例如，在6/12℃或7/12℃的冷水系統(tǒng)中，機(jī)組的供冷量幾乎相等，無(wú)實(shí)質(zhì)性差異。如圖1所示。

圖1 12℃的回水溫度下5～7℃供水溫度時(shí)的供冷量

3 供水溫度與冷水機(jī)組輸入功率的關(guān)系

在研究和探索大溫差冷水系統(tǒng)時(shí)，除了要研究、開(kāi)發(fā)大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組外，還需考慮冷水機(jī)組、空調(diào)箱在非標(biāo)準(zhǔn)供/回水溫度與溫差時(shí)能否滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于冷水機(jī)組，沒(méi)有刻意區(qū)分大溫差型和常規(guī)型冷水機(jī)組。大溫差冷水系統(tǒng)減少了系統(tǒng)循環(huán)水量，降低了水泵的耗用功率，但降低供水溫度，會(huì)影響冷水機(jī)組的效率，所以總體節(jié)能效果在具體工程中應(yīng)認(rèn)真比較、分析不同供/回水溫度水系統(tǒng)方案總能耗值。

在設(shè)計(jì)供/回水溫度為7/14℃的7K冷水系統(tǒng)時(shí)，冷水機(jī)組是否會(huì)因溫差加大而降低了效率？文獻(xiàn)[4]中所提供的ASHRAE資料[7](圖1)，表示了冷水機(jī)組的效率可基本不受蒸發(fā)器供/回水溫差的影響。也如同文獻(xiàn)[8]所言：“對(duì)于回水溫度一般為12～13℃，供水溫度5～7℃的冷水機(jī)組，大量文獻(xiàn)研究結(jié)果表明……，在回水溫度不變的情況下，供水溫度每降低1℃，冷水機(jī)組的COP值約降低3%”。依據(jù)COP的定義可以理解成冷水機(jī)組的輸入功率僅與供水溫度相關(guān)，與回水溫度或供/回水溫差無(wú)關(guān)。供水溫度每降低1℃，輸入功率約增加3%。

4 實(shí)例分析

某工程采用供冷量為819kW的冷水機(jī)2兩臺(tái)，每臺(tái)輸入功率為159kW；水泵2臺(tái)，每臺(tái)水量為155t/h，電機(jī)輸入功率為32.17kW。5K水系統(tǒng)單臺(tái)冷水機(jī)組與水泵的總功率為191.17kW。若該工程采用大溫差冷水系統(tǒng)，則如何選擇系統(tǒng)供/回水溫度并進(jìn)行節(jié)能效果預(yù)測(cè)？

假設(shè)冷水機(jī)組蒸發(fā)器的壓力損失占整個(gè)水系統(tǒng)壓力損失的25%，當(dāng)系統(tǒng)供水溫度為7℃時(shí)，若水系統(tǒng)溫差由5K加大為6K，水泵輸入功率可減少7.1kW；若系統(tǒng)供/回水溫差加大至7K，則水泵輸入功率可減少11.6kW。

若系統(tǒng)供水溫度由7℃降低為6℃，供/回水溫差仍為6K，則水泵輸入功率仍減少了7.1kW，但冷水機(jī)組因冷水溫度降低1℃需增加3%的軸功率，使泵、機(jī)總的輸入功率僅減少了2.1kW。

當(dāng)供水溫度由7℃降低為5℃，冷水機(jī)組輸入功率約需增加6.1%。此時(shí)，若仍采用供/回水溫差6K，則因水泵流量減少獲得的能耗減量不能沖抵冷水機(jī)組的能耗增量，使泵、機(jī)總輸入功率增加了2.9kW。說(shuō)明在一些設(shè)計(jì)工況中，提升1K供/回水溫差，或者降低1℃供水溫度，或者兩者同時(shí)采用的水系統(tǒng)與常規(guī)水系統(tǒng)總功率相近，為提升節(jié)能效果，建議在保持7℃供水溫度的條件時(shí)，再加大供/回水溫差值。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用含風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的大溫差冷水系統(tǒng)，必須采用與該大溫差冷水系統(tǒng)相匹配的大溫差型機(jī)組，保證水系統(tǒng)的阻力平衡。

（2）供水溫度相同，供回水溫差越小除濕能力越強(qiáng)；對(duì)于采用相同的供/回水溫差，降低供水溫度則有利于除濕能力的提高。而采用相同的7℃設(shè)計(jì)供水溫度，則大溫差機(jī)組與常規(guī)機(jī)組兩者的除濕能力也基本相同。

（3）大溫差風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組及其冷水系統(tǒng)，仍應(yīng)采用供水溫度7℃為前提，加大供/回水溫差為首推方案，比如，回水溫度7℃及以上。

在國(guó)內(nèi)一些區(qū)域，在地鐵項(xiàng)目中采用集中冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給周邊的地鐵車(chē)站供冷，采用7～10K供/回水溫差，更大的溫差的運(yùn)用，更降低了系統(tǒng)水量的節(jié)能和運(yùn)用效果。而本文從理論上來(lái)說(shuō)明分散的地鐵車(chē)站的大溫差冷水系統(tǒng)運(yùn)用，采用7℃供水、7K供/回水溫差是較合理的大溫差冷水系統(tǒng)方案。對(duì)于7K供/回水溫差冷水系統(tǒng)，空調(diào)產(chǎn)品的制冷能力、能效和采購(gòu)費(fèi)用仍能保持5K冷水系統(tǒng)的水準(zhǔn)，但水泵與日常運(yùn)行費(fèi)用下降是十分明顯的，也是較優(yōu)的。另在一些地鐵項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，對(duì)設(shè)備管理用房的空氣處理采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組代替空調(diào)機(jī)組，進(jìn)一步擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組在地鐵水系統(tǒng)中的數(shù)量及重要性，所以有必要對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組的節(jié)能性及在水系統(tǒng)中的整體效果進(jìn)行研究。