陸城軍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(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)，可見的是在廣州地鐵項目中有對多個車站設(shè)置大溫差集中供冷的運(yùn)用；而此次在上海地鐵23號線中，也擬將大溫差技術(shù)引入單個地鐵車站冷水系統(tǒng)的設(shè)計，擬在上海地區(qū)地鐵范圍內(nèi)首次運(yùn)用大溫差的車站冷水系統(tǒng)，且是單個車站的大溫差冷水系統(tǒng)運(yùn)用。

在設(shè)計運(yùn)用中，車站的空調(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，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時得到的大溫差冷水系統(tǒng)的研究方法，哪個更適合大溫差風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的運(yùn)用。

本文認(rèn)為，對含風(fēng)機(jī)盤管機(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)盤管在新的供/回水溫度下冷量能保持不變的條件。也就是說，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)盤管的供/回水溫度。為保證空調(diào)環(huán)境符合設(shè)計要求，因此，風(fēng)機(jī)盤管與空調(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)盤管機(jī)組，應(yīng)能在新的供/回水溫度設(shè)定中，對空氣的冷卻處理能力與能效等其他性能均不會因冷水量減少而削弱，且它們的其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值仍符合國標(biāo)《風(fēng)機(jī)盤管機(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/回水溫度計算制造的，因此，未有不同看法。然后，在采用風(fēng)機(jī)盤管時有著不同的思路。

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

供冷能力：對于相同的進(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)盤管的冷量相對于標(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：對于相同的進(jìn)水溫度，隨著供回水溫差不斷增大而減小。

盤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)盤管外形及安裝尺寸、盤管表面根數(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。

盤管阻力：7℃/14℃時，稍高于常規(guī)型機(jī)組。類似的觀點(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號線擬在上海地區(qū)地鐵范圍內(nèi)首次運(yùn)用大溫差的車站冷水系統(tǒng)，設(shè)計供/回水溫度為7/13℃。但同樣，也有建議23號線的冷水機(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)盤管機(jī)組、組合式空調(diào)箱等)。

要設(shè)計大溫差的冷水系統(tǒng)，冷水機(jī)組無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)箱選配一般也無難處，關(guān)鍵的是風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的選擇。

對于末端裝置而言，依據(jù)《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》GB/T 19232，在進(jìn)風(fēng)干球溫度27℃、濕球溫度19.5℃時，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、噪聲能符合國標(biāo)GB/T 19232規(guī)定的額定值，但在機(jī)組的輸入功率和盤管水阻力等性能參數(shù)中，還有一定的不足，會使得水系統(tǒng)的阻力過大或者過小，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)盤管機(jī)組，因水阻力失衡，使得風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組所在的水系統(tǒng)擾動增大，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)盤管機(jī)組，在冷水水量降低時，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 對除濕功能的質(zhì)疑

對于大溫差風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的除濕能力有疑問，那么除了在文獻(xiàn)[4]、[5]中有實(shí)測對比。說明“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?！蓖瑯硬捎孟嗤?℃設(shè)計供水溫度，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)計盤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，甚至更換盤管系列等。這些能適用于空調(diào)箱的措施對于風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組卻因其結(jié)構(gòu)、尺寸等因素而無法全部得到施展，其中盤管的水阻力變化，也自然會受到關(guān)注。

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

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，還會用到風(fēng)機(jī)盤管機(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，還需綜合分析減少水量對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，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，除了要研究、開發(fā)大溫差風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組外，還需考慮冷水機(jī)組、空調(diào)箱在非標(biāo)準(zhǔn)供/回水溫度與溫差時能否滿足設(shè)計要求。

對于冷水機(jī)組，沒有刻意區(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)計供/回水溫度為7/14℃的7K冷水系統(tǒng)時，冷水機(jī)組是否會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，每臺輸入功率為159kW；水泵2臺，每臺水量為155t/h，電機(jī)輸入功率為32.17kW。5K水系統(tǒng)單臺冷水機(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？

假設(shè)冷水機(jī)組蒸發(fā)器的壓力損失占整個水系統(tǒng)壓力損失的25%，當(dāng)系統(tǒng)供水溫度為7℃時，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，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。說明在一些設(shè)計工況中，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，再加大供/回水溫差值。

5 結(jié)語

（1）采用含風(fēng)機(jī)盤管機(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。

在國內(nèi)一些區(qū)域，在地鐵項目中采用集中冷水系統(tǒng)的設(shè)計，給周邊的地鐵車站供冷，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。而本文從理論上來說明分散的地鐵車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。另在一些地鐵項目設(shè)計中，對設(shè)備管理用房的空氣處理采用風(fēng)機(jī)盤管機(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，所以有必要對風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的節(jié)能性及在水系統(tǒng)中的整體效果進(jìn)行研究。