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冷水机组串联逆流节能运用探讨

2016-10-10 03:02:04.0   |    作者:江森自控楼宇设备科技(无锡)有限公司   |   浏览:153
摘要:通过对冷水机组三种应用方案中冷水机组与水泵的能效对比分析,并结合实例得出冷水机组串联逆流较其余两种布置方案更节能。同时给出了串联逆流布置系统设计的一些建议。

  摘要:

  介绍了暖通空调系统中冷水机组的两种布置方式。通过对冷水机组三种应用方案中冷水机组与水泵的能效对比分析,并结合实例得出冷水机组串联逆流较其余两种布置方案更节能。同时给出了串联逆流布置系统设计的一些建议。

  关键词:冷水机组;水泵;串联逆流;大温差;节能

  0 前言

  我国作为一个能源消耗大国,仅2014年全社会用电量就达43636亿千瓦时,其中约三成来源于建筑设施,而建筑能耗的一半又来自暖通空调系统。这意味着暖通空调行业每年消耗了全社会总能耗的15%。在暖通空调系统中,冷水机组与水泵能耗的占比最大,达到65以上[1]。通过优化调节冷水机组的布置,降低冷水机组与水泵的能耗,对整个暖通空调系统的节能具有重大意义。

  1 冷水机组布置方式

  1.1 常规冷水机组布置

图1 冷水机组并联布置.jpg

  图1 冷水机组并联布置

  在常规暖通空调系统中(见图1),冷水机组之间相互并联,水泵之间也相互并联。冷水机组与水泵一一对应,即一台冷水机组运行时,对应一台水泵也会运行。该布置对于冷冻水与冷却水的流向没有特殊要求,一般由系统工程师确定。

  在冷水机组并联布置系统中,又根据冷冻水温差分为常规温差冷水机组方案与大温差冷水机组方案。冷冻水常规温差冷水机组,一般按GB/T18430-1-2007《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组》设计,冷冻水、冷却水温差约为5℃,冷冻水泵、冷却水泵设计流量见表1。

  表1 名义工况时的温度/流量条件

1.jpg

  是将冷冻水进出水温差扩大为8℃-10℃,减小冷冻水流量。根据(1)式,当制冷量恒定时,水流量与进出水温差成反比,即冷水机组采用冷冻水大温差时,其冷冻水流量为小温差流量的0.5-0.625倍。

  Q=Cm×ρ×V×△T(1)

  式中:Q:制冷量

  Cm:比热

  ρ:密度

  V:体积流量

  △T:冷冻水进出温差

  1.2 冷水机组串联逆流布置

图2 冷水机组串联逆流布置.jpg

  图2 冷水机组串联逆流布置

  该方案是将两台冷水机组串联布置,冷冻水与冷却水的流向有特殊要求:冷冻水优先通过上游冷水机组的蒸发器再通过下游机组蒸发器;而冷却水流向相反,优先通入下游冷水机组冷凝器再通过上游冷水机组冷凝器流出(见图2)。两台冷水机组共用一个水泵,简化了管路布置,节约了占地面积。

  冷水机组串联逆流布置系统按冷冻水大温差小流量设计,上游机冷冻水进水温度与下游机冷冻水出水温度一般为8℃-12℃温差,即上、下游冷水机组各自冷冻水温差约为4-6℃。同样根据(1)式,当制冷量恒定时,水流量与进出水温差成反比,即冷水机组串联逆流布置时,冷冻水流量为并联小温差冷水机组流量的0.42-0.625倍。

  2 冷水机组并联与串联逆流布置对比分析

  2.1 冷水机组性能对比分析:

  (1)常规温差冷水机组并联与大温差冷水机组并联布置方案对比

图3 冷冻水温差对冷水机组性能的影响.jpg

  图3 冷冻水温差对冷水机组性能的影响

图4 冷冻水温差对蒸发温度的影响.jpg

  图4 冷冻水温差对蒸发温度的影响

  图3、图4为同型号冷水机组,在定冷量、冷却水进出温度32/37℃、冷冻水出水温度6℃,7℃,8℃时,冷冻水温差对冷水机组性能与蒸发温度的影响,制冷工质为R134a。

  从图3与图4可以看出,大温差冷水机组与常规温差冷水机组相比,蒸发温度高,冷水机组较节能。这是因为虽然大温差冷水机组较小温差冷水机组蒸发管内对流换热系数低,但是由于冷冻水大温差的影响,增大了对数温差,抵消了蒸发管内对流换热系数低的负面影响。相比小温差冷水机组,大温差冷水机组较蒸发温度提升并不明显,仅为0.5℃;同时冷水机组节能效果也不显著,仅为1%。因此可以得出,在两种冷水机组并联布置方案中,冷冻水温差变化对冷水机组的能效影响不大。

  (2)大温差冷水机组并联与冷水机组串联逆流布置方案对比

  以冷冻水进出水17/7℃,冷却水进/出水32/37℃,过冷度5℃,压缩机绝热效率0.80,机械效率0.94,电机效率0.94,制冷剂为R134a进行分析,不考虑压缩机吸排气损失。

  冷水机组并联大温差布置方案:

  在并联系统中,冷水机组按2流程或3流程设计,以下按流程数不同进行分析:

图5 大温差冷水机组并联布置循环压焓图.jpg

  图5 大温差冷水机组并联布置循环压焓图

  a.冷水机组的蒸发器与冷凝器按2流程考虑,蒸发温度取5℃,冷凝温度取39℃(见图5)

  单位质量工质制冷量:q=h2-h1=401.49-247.53=153.96kJ/kg

  单位质量工质绝热压缩功:w=h3-h2=423.10-401.49=21.61kJ/kg

  冷水机组效率:

  ξ=q÷w×0.80×0.94×0.94=5.04

  b.冷水机组的蒸发器与冷凝器按3流程考虑,蒸发温度取5.5℃,冷凝温度取38.5℃(见图5)。

  单位质量工质制冷量:q=h6-h5=401.78-246.80=154.98kJ/kg

  单位质量工质绝热压缩功:w=h7-h6=422.16-401.78=20.38kJ/kg

  冷水机组效率:

  ξ=q÷w×0.80×0.94×0.94=5.38

  冷水机组串联逆流布置方案:

  冷水机组串联逆流布置时,两台冷水机组的制冷量一般不是均分。这是由于下游冷水机组压缩机进出口压比一般较上游冷水机组大。在相同压缩机的前提下,压缩机压比越大其对应的制冷剂质量流量越低,冷水机组制冷量也越低。因此下游冷水机组承当的制冷量一般低于上游机。

  根据经验下游机承担的制冷量一般为总制冷量的45%-50%[4],这里取小值45%,即上游冷水机承担总冷量的55%。由于两台冷水机组串联逆流布置,冷冻水与冷却水水量一致,根据(1)式,下游冷水机组冷冻水与冷取水温差为串联逆流系统总温差的45%,即下游冷水机组冷冻水进/出水温度:11.5/7℃,冷却水进/出水温度:34.3/32℃;上游冷水机组冷冻水进/出水温度:17/11.5℃,冷却水进/出水温度:34.3/37℃。

  在冷水机组串联逆流系统中,由于流过冷水机组冷冻水与冷却水量约为并联时的一倍,为降低由水速过大而导致水泵功耗的增加,一般冷水机组设计为1流程。以下仅以1流程为例进行分析。

图6 冷水机组串联逆流布置循环压焓图.jpg

  图6 冷水机组串联逆流布置循环压焓图

  下游机单位质量工质制冷量:

  q'=h2'-h1'=401.49-243.60=157.89kJ/kg

  下游机单位质量工质绝热压缩功:

  w'=h3'-h2'=421.57-401.49=20.08kJ/kg

  下游机效率:

  ξ'=q'÷w'×0.80×0.94×0.94=5.56

  上游机单位质量工质制冷量:

  q"=h2"-h1"=404.04-247.53=156.51kJ/kg

  上游机单位质量工质绝热压缩功:

  w"=h3"-h2"=422.41-404.04=18.37kJ/kg

  上游机效率:

  ξ"=q"÷w"×0.80×0.94×0.94=16.02

  冷水机组串联逆流布置机组总效率:

  ξ总=1÷(45%÷ξ'+55%÷ξ")=5.80

  对比分析上述数据可以得出,在同冷量下冷水机组串联逆流布置较2流程冷水机组并联大温差布置时冷水机组节能13%,较3流程冷水机组并联大温差布置时节能7%。这是由于冷水机组串联逆流布置时,上、下游冷水机组压缩机较并联时压比更低(见图5,6),单位压缩机功耗所获得的制冷量更大。

  2.2 水泵性能对比分析:

  在三种方案中,大温差冷水机组并联与冷水机组串联逆流布置两种方案采用了冷冻水大温差运行。而冷冻水大温差运行时,冷水泵节能显著[2][3]。以下仅以2流程大温差冷水机组并联与1流程冷水机组串联逆流布置方案在冷冻水温差与冷却水温差各自相同下进行对比分析。

  两种方案由于冷冻水温差与冷却水温差相同,根据(1)式冷冻水与冷却水总流量各自相同。冷水机组的水阻主要来源于换热管,而同型号的换热管水阻仅与管内水速相关,水速越大水阻越大。冷水机组串联逆流布置时,虽然流过单台冷水机组的水流量为并联时一倍,但由于单台冷水机组流程数为并联时的一半,流通面积增加了一倍,即两种方案中冷水机组传热管内水流速相同。不考两台冷水机组串联时连接管路的水阻,1台2流程冷水机组与串联2台1流程冷水机组的水阻基本相同。同时,由于这两种方案的冷冻水与冷却水总流量各自相同,对应空调系统管路水阻也相同,即两种方案中水泵的总流量与扬程都相同。而在冷水机组串联逆流布置方案中(见图2),冷冻水泵与冷却水泵各自数量仅为冷水机组并联时的一半,相对的冷水机组串联逆流布置时冷冻水泵与冷却水泵各自水流量更大,水泵的效率更高。

  因此,冷水机组串联逆流布置时冷冻水泵与冷却水泵较并联时更节能。

  3.模拟工况计算分析:

  以某项目为例:制冷量为10410kW,冷却水进水温度29.44℃,冷冻水出水温度5.56℃。分别采用前述的三种方案来进行能耗分析,见表2。

  表2 某项目冷水机组三种布置方案

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  从表2可以看出,在冷水机组与水泵能耗方面方案3较方案1节能14%,较方案2节能10%。冷水机组串联逆流布置方案节能效果显著。同时,表2的数据与前面理论分析的结果基本一致。

  4.串联逆流方案设计的建议

  冷水机组串联逆流布置方案需要两台冷水机组,因此该方案适用于采用多台冷水机组和大冷量的暖通空调系统中。

  图7与图8为冷水机组在冷却水进/出水32/37℃,冷冻水出水7℃工况时,冷冻水温差变化对冷水机组性能的影响图。从图中可以看出,冷水机组串联逆流布置采用冷冻水大温差设计更节能,且温差越大冷水机组节能越显著。这是由于冷冻水温差越大,上游冷水机组的蒸发温度越高,其压缩机进出口压比减小,机组COP增大。同时冷冻水温差越大,冷冻水流量越低,冷冻水泵能耗越低。

图7 冷冻水温差对串联逆流冷水机组COP 影响.jpg

  图7 冷冻水温差对串联逆流冷水机组COP影响

图8 冷冻水温差对串联逆流冷水机组蒸发温度影响.jpg

  图8 冷冻水温差对串联逆流冷水机组蒸发温度影响

  由于两台冷水机组的串联,减小了单台机组的压头,该方案适用于蓄冰、热泵等高压头的应用。

  在传统冷水机组设计中,冷水机组由冷冻水出水温度控制。但在冷水机组串联逆流布置方案中,由于上游侧与下游侧两台冷水机组运行在不同工况且相互影响,为确保冷水机组在高效率下运行,必须要同时监控两台冷水机组的中间出水温度,并根据冷水机组压缩机的性能进行调控,以维持两台冷水机组运行的总性能最高。这就要求必须研究开发一套独特的串联逆流的监控系统。

  5.结语

  冷水机组串联逆流布置方案不但降低了冷冻水泵与冷却水泵的能耗,还降低了冷水机组自身的能耗。同时由于采用了串联布置与冷冻水大温差的设计,简化了管路布置,节约了设备占地面积,减小了项目的初投资[2][3]。随着各个厂商对冷水机组串联逆流系统的不断深入研发,相信冷水机组串联逆流在将来会有更大的应用空间。

  参考文献

  [1] 陆耀庆主编.实用供热空调设计手册(第二版).

  [2] 殷平.空调大温差研究(4):空调冷水大温差系统经济分析.湖南大学.

  [3] 许新明,陈诒春,刘莹,郑贤德.空调系统冷水大温差运行特性分析.华中理工大学.动力系制冷教研室.

  [4] Luis Jaenicke.material for GTIAC training York.

关键字:冷水机组,暖通空调
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