■張競(jìng)予，強(qiáng)天偉，孫 婧 ■西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)需要的冷源溫度遠(yuǎn)高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)［1］，由于不承擔(dān)除濕的任務(wù)，冷水溫度可以從常規(guī)系統(tǒng)的5～7℃提高到16～18℃，這就為很多自然冷源的使用提供了條件，如通過(guò)土壤源換熱器獲取冷水、在某些干燥地區(qū)通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻或間接蒸發(fā)冷卻方式獲取冷水等。當(dāng)自然冷源無(wú)法利用時(shí)，可通過(guò)人工即機(jī)械制冷方式滿足溫度控制系統(tǒng)的冷源需求。本文選取常規(guī)制冷機(jī)組、高溫制冷機(jī)組和蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組三種冷源進(jìn)行分析。

1 常規(guī)制冷機(jī)組

在相同的冷凝溫度條件下，隨著蒸發(fā)溫度的提高，逆卡諾循環(huán)的COP 顯著升高。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)只需制備16～18℃的冷水即可滿足室內(nèi)溫度控制的要求，與制備7℃冷水的常規(guī)制冷機(jī)組相比，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度明顯升高。當(dāng)冷凝溫度均為37℃時(shí)，常規(guī)低溫出水工況下逆卡諾循環(huán)的COP 為9，而在高溫出水工況下，逆卡諾循環(huán)的COP 可達(dá)到13，遠(yuǎn)高于低溫出水工況的冷機(jī)性能系數(shù)。

常規(guī)制冷機(jī)組的額定出水工況為5～7℃，若將其直接運(yùn)行在16～18℃的高溫出水工況會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生以下影響:(1)當(dāng)冷凝溫度不變，蒸發(fā)溫度提高后，制冷循環(huán)的壓縮比顯著降低，對(duì)螺桿式和渦旋式等固定內(nèi)容積的壓縮機(jī)，會(huì)導(dǎo)致較大的過(guò)壓縮損失。(2)當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，對(duì)吸氣容積固定的壓縮機(jī)，系統(tǒng)制冷劑流量增加，系統(tǒng)容量也同比增加，這就要求蒸發(fā)器、冷凝器的換熱量增大。而過(guò)大的系統(tǒng)容量將導(dǎo)致供需失配和壓縮機(jī)電機(jī)的過(guò)載，影響制冷機(jī)的安全運(yùn)行。(3)系統(tǒng)壓差的減小和壓縮機(jī)制冷劑流量的增加，需要系統(tǒng)的膨脹閥開(kāi)度顯著增加;如果采用常規(guī)低溫冷水系統(tǒng)原有的膨脹裝置用于生產(chǎn)高溫冷水，將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)過(guò)熱度增大，系統(tǒng)效能不能全面發(fā)揮。此外，冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓縮比降低，將影響制冷機(jī)組的回油。

綜上，出于對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的考慮，常規(guī)制冷機(jī)組一般限定冷凍水出口溫度不高于12～14℃，難以在高溫出水工況下保持較優(yōu)的性能。

2 高溫制冷機(jī)組

高溫制冷機(jī)組產(chǎn)生16～18℃的高溫冷水，其最大的特點(diǎn)是使機(jī)組處于小壓縮比工況下運(yùn)行，例如對(duì)離心式壓縮機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)入口導(dǎo)葉并調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)滿足要求。對(duì)于常規(guī)制冷機(jī)組而言，當(dāng)冷凝溫度tk 為36～40℃，蒸發(fā)溫度t0 為3～5℃時(shí)，R22 蒸汽壓縮式制冷機(jī)組的壓縮比為2.3～2.8;如果取t0 為14～16℃來(lái)設(shè)計(jì)高溫制冷機(jī)組，R22機(jī)組對(duì)應(yīng)的壓縮比降為1.7～2.0。

此外，在小壓縮比下，節(jié)流裝置前后的冷媒壓差顯著減小，需要較大容量的節(jié)流裝置在小工作壓差下依然能保持很好的調(diào)節(jié)性能;蒸發(fā)器和冷凝器應(yīng)選擇大容量、高效換熱器，可以從提高換熱系數(shù)或增加傳熱面積方面提高蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱能力;回油系統(tǒng)應(yīng)保證在小壓縮比的工況下，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)可靠的回油。

選取兩臺(tái)額定冷量為4000kw 的格力機(jī)械制冷機(jī)組為例進(jìn)行對(duì)比分析。

由表可得，當(dāng)常規(guī)制冷機(jī)組直接用于制取高溫冷水時(shí)的性能要明顯低于經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高溫制冷機(jī)組。常規(guī)制冷機(jī)組在制取16℃和18℃冷水的的COP 分別為6.80 和7.05，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高溫制冷機(jī)組運(yùn)行在這兩種工況下的性能分別提高了26%和30%，機(jī)組性能得到明顯改善。

表1 兩種機(jī)組在不同出水溫度時(shí)的性能測(cè)試結(jié)果

3 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組

該機(jī)組可以充分利用室外干空氣能來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，在中濕度地區(qū)夏季采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取的高溫冷水并不能達(dá)到溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中16～18℃高溫冷水的要求，所以將其與機(jī)械制冷結(jié)合起來(lái)，即利用蒸發(fā)冷卻制取的高溫冷水與機(jī)械制冷制取的7℃冷水混合來(lái)得到滿足顯熱末端溫度控制要求的冷水［2］。機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)在室外空氣狀態(tài)下用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取的高溫冷水大于16～18℃不能滿足要求時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻段與機(jī)械制冷段，將兩種不同溫度的冷水按照一定比例混合來(lái)得到16～18℃的高溫冷水。

而當(dāng)室外空氣狀態(tài)滿足要求即只需開(kāi)機(jī)組的蒸發(fā)冷卻段就能制取滿足要求的高溫冷水時(shí)，則關(guān)閉機(jī)械制冷段，像在中等濕度地區(qū)的過(guò)渡季節(jié)大部分時(shí)間僅需開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻段就可制取18℃以下的冷水。

查《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，根據(jù)西安地區(qū)的室外氣象條件統(tǒng)計(jì)6、7、8、9 月份制取18℃冷水時(shí)機(jī)組的運(yùn)行情況，得機(jī)械制冷段和蒸發(fā)冷卻段同時(shí)運(yùn)行的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的56.9%;僅運(yùn)行蒸發(fā)冷卻段的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的43.1%。

以西安某建筑為例對(duì)蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算［2］，將計(jì)算結(jié)果列于下表。

表2 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組的能效比分析

整個(gè)運(yùn)行期的COP=4.3 ×56.9% +13.4 ×43.1%=8.22

由上表可得，蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下，機(jī)組的能效比都要遠(yuǎn)大于常規(guī)制冷機(jī)組的能效比，在蒸發(fā)冷卻段與機(jī)械制冷段同時(shí)運(yùn)行時(shí)該機(jī)組相對(duì)于常規(guī)制冷機(jī)組能效比提高了43.8%，而在蒸發(fā)冷卻段單獨(dú)運(yùn)行時(shí)其能效比甚至提高了3 倍多。室外氣象條件允許蒸發(fā)冷卻段單獨(dú)運(yùn)行時(shí)間占整個(gè)空調(diào)運(yùn)行期的比例越大，整個(gè)機(jī)組的能效比越高，節(jié)能性越好。

4 結(jié)論

本文對(duì)三種溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中的高溫冷源做了分析，常規(guī)制冷機(jī)組系統(tǒng)由于受到機(jī)組各部件的限制并不能在高溫出水工況下保持較優(yōu)的性能。高溫制冷機(jī)組對(duì)壓縮機(jī)及機(jī)組各部件進(jìn)行改進(jìn)，制取高溫冷水時(shí)機(jī)組的能效比得到很大提高。

由于蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用自然資源干空氣能來(lái)制冷，其節(jié)能性必然遠(yuǎn)高于常規(guī)制冷機(jī)組，所以在中濕度地區(qū)充分利用室外干空氣能采用蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組作為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的高溫冷源，具有很大的節(jié)能潛力。

［1］劉曉華，江億，張濤.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013:137，147 -153.

［2］孫鐵柱.蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組的研究［D］.西安:西安工程大學(xué)，2009.