曹 玄

(湖南城市學院市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000)

ln[Δ]t/(tw-t)+1〗=Δt/(2.5+0.413 9Δt0.8)

ΔN=N′-N

Q3=qρwc(to-ti)

Q4=qiρ(ho-hi)

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節(jié)能環(huán)保在制冷空調(diào)水系統(tǒng)中的應用

曹 玄

(湖南城市學院市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000)

介紹了變頻技術(shù)、大溫差技術(shù)及冷凝器的選擇等在制冷空調(diào)水系統(tǒng)中節(jié)能環(huán)保的應用技術(shù)，并分別對各節(jié)能方式進行了機理和節(jié)能分析，分析結(jié)果表明三種節(jié)能方式在一定程度上都可以達到節(jié)能環(huán)保的目的，對制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的意義。

節(jié)能環(huán)保，變頻技術(shù)，大溫差技術(shù)，冷凝器

隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人民生活水平的提高，空調(diào)已日漸成為人民生活中不可或缺的一個制冷設備，目前中國已成為全球第二大制冷空調(diào)設備消費市場，而空調(diào)作為能源消耗的主要設備，與當前能源危機的局勢尤其是低碳節(jié)能的環(huán)保局勢有著很大的關(guān)系，因此節(jié)能環(huán)保勢必成為制冷空調(diào)的一個重要的研究課題。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的能耗約占建筑能耗的66%，而制冷空調(diào)系統(tǒng)中水系統(tǒng)的能源消耗最大，占整個能耗系統(tǒng)的58%左右，如何對制冷空調(diào)水系統(tǒng)進行節(jié)能環(huán)保控制和調(diào)節(jié)是一個機會同樣也是一個挑戰(zhàn)。文獻對中央空調(diào)水系統(tǒng)中冷凍水在不同運行負荷條件下(單級泵定流量、單級泵變流量及二級泵變流量)的節(jié)能情況進行了分析研究；文獻在暖通空調(diào)的應用方面如暖通空調(diào)健康性、節(jié)能設計及可再生能源的應用等提出了一些節(jié)能環(huán)保技術(shù)。這些文獻都在一定程度上分析了節(jié)能環(huán)保的重要性，但沒有具體地涉及制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能方式，本文將主要對制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保的方式進行分析，為制冷空調(diào)的節(jié)能環(huán)保提供一定的指導意義。

1 制冷空調(diào)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制冷和空調(diào)是相互聯(lián)系又相互獨立的兩個領(lǐng)域，制冷是一個操作過程，而制冷空調(diào)所進行的則是空調(diào)中的冷卻和減濕操作。制冷空調(diào)中水系統(tǒng)的供冷及供熱主要是通過水介質(zhì)來實現(xiàn)的，主要有冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)兩種形式。圖1為制冷空調(diào)定流量水系統(tǒng)示意圖，冷源以恒量的流量進入水泵流入到冷水機組，在冷水機組運行后經(jīng)過冷凝器，此時水溫將升高，經(jīng)管道輸送到冷卻塔冷卻，待水溫下降后經(jīng)管道及水泵重新輸送到冷水機組和冷凝器中循環(huán)利用，如此構(gòu)成一個水系統(tǒng)。

通過對水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機理進行分析可知，對制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能主要是要控制水系統(tǒng)中的水泵、冷水機組及冷凝器的能量消耗。

2 變頻技術(shù)在節(jié)能環(huán)保中的應用

2.1 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)就是依據(jù)頻率的變化把直流電轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電，或把交流電轉(zhuǎn)換成不同頻率的直流電。變頻技術(shù)的類型主要有交直變頻技術(shù)、直直變頻技術(shù)、直交變頻技術(shù)等。目前變頻器是使用最廣泛的變頻技術(shù)，它正朝著數(shù)控化、高頻率化、數(shù)顯化、高集成化等方向迅速發(fā)展。圖2為電流型變頻器結(jié)構(gòu)示意圖，電路的結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠，通常在直流電源上串聯(lián)一個大電感濾波，大電感的限流作用可為逆變器提供平直、脈動很小的直流電流波，進而逆變器會輸出形狀為矩形波的交流電流，這些輸出的交流電的波形、相位與負載的變化有關(guān)。

變頻技術(shù)隨著電力技術(shù)等相關(guān)理論的不斷發(fā)展和完善已經(jīng)進入了一個飛速發(fā)展的時代，目前已被廣泛地應用于制冷空調(diào)系統(tǒng)、電源照明設備、機床設備、電梯設備中。變頻技術(shù)在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應用改變了制冷空調(diào)水系統(tǒng)存在的高能耗和低效率的狀態(tài)，有效地提高了制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能。

2.2 變頻技術(shù)在水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保中的應用

制冷空調(diào)系統(tǒng)的負荷需求是不斷發(fā)生變化的，其影響因素很多，如受環(huán)境溫度的影響等，因此結(jié)合制冷空調(diào)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來使用變頻技術(shù)才能更好地實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能環(huán)保。比較先進的空調(diào)系統(tǒng)一般都采用泵變流量水系統(tǒng)，目前常用的變流量水系統(tǒng)有一次泵變流量和二次泵變流量水系統(tǒng)，為了實現(xiàn)變流量的調(diào)節(jié)，需要借助變頻器的使用。圖3為水系統(tǒng)中變頻控制示意圖，它是通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)水系統(tǒng)中負荷流量的變化。

對于封閉式的制冷空調(diào)水系統(tǒng)而言，水泵的功率與流量的關(guān)系為:

(1)

變速水泵的能耗可采用式(2)計算:

(2)

其中，H為水泵揚程；Q為水泵的流量；ρ為水的密度；η為水系統(tǒng)的效率。

由式(1)和式(2)可知，當流量發(fā)生變化時，其功耗按相應的比例發(fā)生變化。因此在空調(diào)水系統(tǒng)采用變頻技術(shù)對水泵實施變頻調(diào)速控制，使其根據(jù)負荷的變化而相應地不斷調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，減少能源的消耗，達到節(jié)能環(huán)保的目的。制冷空調(diào)作為主要的耗電耗能設備，為滿足節(jié)能環(huán)保的需求，采用變頻調(diào)速技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢。采用變頻技術(shù)的制冷空調(diào)基本上是在輕載的情況下運行的，與沒有采用變頻技術(shù)的空調(diào)相比，在室外的氣溫和負荷發(fā)生變化時可通過變頻器改變電機的頻率來改變相應的轉(zhuǎn)速，不僅能達到節(jié)能環(huán)保的目的，還可以改善室內(nèi)的舒適性，同時還能使空調(diào)的啟動電流減小，電機的啟動平滑，所產(chǎn)生的沖擊噪聲也隨之減小，可改善工作環(huán)境，并延長制冷空調(diào)的壽命。

3 大溫差技術(shù)在節(jié)能環(huán)保中的應用

制冷空調(diào)水系統(tǒng)中的能源消耗包括冷水機組的能耗和水泵的能耗，它們都與空調(diào)的運行工況有關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等工況來改變冷凍水及冷卻水的溫差。大溫差技術(shù)則是根據(jù)此原理提出來的，它是指通過調(diào)節(jié)運行工況的參數(shù)，改變水流量來達到改變冷凍水進出口溫差及冷卻水進出口溫差的目的，減少冷水機組能耗的損失而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。但在實際運行當中，由于大部分時間是處于非設計工況下，因此大溫差運行實際是指冷水進出口溫差或冷卻水進出口溫差中有大于名義工況給定溫差運行時的情況。

3.1 制冷空調(diào)水系統(tǒng)冷水機組能耗的計算

制冷空調(diào)冷水機組中制冷循壞如圖4所示，由四個熱力過程組成。

根據(jù)傳熱學原理可知，冷水機組的冷凍水出口溫度tw、進出口溫差Δt與制冷劑蒸發(fā)溫度t的關(guān)系為:

ln[Δ]t/(tw-t)+1〗=Δt/(2.5+0.413 9Δt0.8)

(3)

其中，t為大溫差工況下制冷劑的蒸發(fā)溫度；tw為冷凍水的出口溫度；Δt為冷凍水的進出口溫差。

由式(3)可知，在冷凍水的出口溫度tw保持不變的情況下,大溫差工況下的制冷劑蒸發(fā)溫度t會隨著冷凍水進出口溫差Δt的減小而降低,反之會隨著它的增大而升高。

水系統(tǒng)中冷水機組的單位制冷量的能耗計算公式為:

(4)

其中，W為單位理論功；Q1為單位質(zhì)量的制冷量；η為壓縮機效率，h1,h2,h4分別為制冷循壞圖中各個狀態(tài)點的焓值。

對上式進行分析可知，制冷空調(diào)水系統(tǒng)中冷水機組在冷凍水進出口溫差保持相同時,單位制冷量的有效能損失隨著冷凍水出口溫度的降低而增加，反之隨著它的增大而明顯下降。

3.2 制冷空調(diào)水系統(tǒng)水泵能耗的計算

根據(jù)流體力學相關(guān)知識，制冷空調(diào)水系統(tǒng)中水泵的壓頭、功率和流量的關(guān)系為：

(5)

(6)

水泵的能耗計算公式為：

ΔN=N′-N

(7)

對上式進行分析可知，在大溫差工況下可通過減少制冷空調(diào)水泵的循環(huán)水量來降低水系統(tǒng)中水泵的能耗損失，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。通過分析可知，大溫差技術(shù)在制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能性已得到初步驗證，通過大溫差技術(shù)來降低水系統(tǒng)中的冷水機組和水泵的能耗損失，不僅能達到節(jié)能環(huán)保的目的，還可以降低制冷空調(diào)運行的費用，更好地實現(xiàn)制冷空調(diào)的經(jīng)濟性。

4 冷凝器在節(jié)能環(huán)保中的應用

冷凝器是制冷空調(diào)水系統(tǒng)中的一個重要組成部分，對它的選擇會直接影響到制冷水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保。據(jù)統(tǒng)計，在整個制冷空調(diào)設備能耗損失中冷凝器的能耗損失就占36%左右，因此，要提高制冷空調(diào)系統(tǒng)的能效比，達到節(jié)能環(huán)保的目的，就需要改善冷凝器的結(jié)構(gòu)來降低冷凝器的能耗損失?，F(xiàn)在常使用的冷凝器主要有以下三種形式：蒸發(fā)式冷凝器、水冷式冷凝器和空冷式冷凝器。每種冷凝器均有其獨特的優(yōu)點和應用場合，空冷式冷凝器相對于其他兩種冷凝器來說它的傳熱系數(shù)比較小，但可以同時用于冷和熱兩方面，而且設備的維護和管理也比較方便簡單；水冷式冷凝器相對于其他兩種來說它的結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積相對較小，傳熱系數(shù)也比較大，但缺點是要配有相應的冷卻塔；而蒸發(fā)式冷凝器是一種結(jié)構(gòu)更為緊湊的熱交換器，它不僅結(jié)合了空冷式、水冷式冷凝器的結(jié)構(gòu)，還配有冷卻塔，它是依靠水分的蒸發(fā)來進行散熱，相比水冷式冷凝器來說它的循環(huán)水量只占45%左右，因此更具有節(jié)能環(huán)保的特點。本文只著重分析蒸發(fā)式冷凝器在制冷空調(diào)水系統(tǒng)中節(jié)能環(huán)保的應用。

在蒸發(fā)式冷凝器中制冷劑單位質(zhì)量的制冷量的計算公式為:

Q3=qρwc(to-ti)

(8)

冷凝器排熱量計算公式為:

Q4=qiρ(ho-hi)

(9)

其中,q為體積流量;qi為進入的空氣的流量;c為水的比熱容;ρw為水的密度;ρ為空氣的密度;to與ti分別為出口和入口溫度;ho與hi分別為出口和入口空氣的焓值。以R209為制冷劑的制冷空調(diào)水系統(tǒng)為例，取冷凝器的冷凝溫度分別為35 ℃，36 ℃，37 ℃，通過式(8)，式(9)進行分析計算得到理論上蒸發(fā)式冷凝器在節(jié)能上分別占到12.7%，10.3%，8.6%左右，這對于制冷空調(diào)的節(jié)能環(huán)保能起到相當大的作用[9,]10〗。冷凝器的合理選擇在一定程度上也會實現(xiàn)制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保，蒸發(fā)式冷凝器所展示出來的優(yōu)勢已得到廣泛地認可，目前已被應用在石油化工、食品加工等很多大型制冷工業(yè)場合。

5 結(jié)語

空調(diào)作為全球能源消耗的主要設備，加強對制冷空調(diào)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改善，降低空調(diào)系統(tǒng)的運行成本及能源消耗已成為必然的發(fā)展趨勢。文中所分析到的變頻技術(shù)、大溫差技術(shù)、冷凝器的選擇等方法均可以在一定程度上實現(xiàn)制冷空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保，可為制冷空調(diào)的節(jié)能提供參考依據(jù)。

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Energy saving and environmental protection applied in water system of refrigeration air conditioner

Cao Xuan

(MunicipalandSurveyingEngineeringCollege,HunanCityUniversity,Yiyang413000，China)

This paper describes the application technology of inverter technology, a large temperature difference technology and condenser selection in energy-saving of water system of refrigeration air conditioner, the mechanism and energy-saving about these three energy-saving methods were carried out, the results show that they can achieve the purpose of energy-saving to some extent, which has great significance for energy-saving in refrigeration air conditioner water systems.

energy-saving and environmental protection, inverter technology, large temperature difference technology, condenser

1009-6825(2015)01-0199-03

2014-10-29

曹 玄(1993- )，男，在讀本科生

TU831

A