大温差冷冻水的适用性研究
2008年第36卷第03期 流 体 机 械
文章编号: 1005—0329(2008)03—0067—04
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大温差冷冻水的适用性研究
付秉恒,孙文哲,翟少斌,张立华
(上海海事大学,上海 200135)
摘 要: 在研究了大温差冷冻水适用性的评价指标和评价方法的基础上,利用热工基本理论和同等初投资能耗比较法,对中央空调中的主要设备进行变工况分析,推导出了大温差冷冻水适用性判据。关键词: 大温差冷冻水;能耗比;适用性判据中图分类号: TB6 文献标识码: A
ApplicabilityonLargeTemperatureDifferenceinChilledEnergy
FUBing2heng,SUNWen2zhe,ZHAI2bin,ZLi2(ShanghaiMaritimeUniversity,Abstract: Theevaluatingindexesandforthetemperaturedifferencechilledwatersystemsisdiscussed.ofandthevariable2conditionanalysisofmainequipmentintheair2condititirateisdiscussed,andthequalificationofchilledwatersystemsispresented.Keywords: chilledwatersystems;energyconsumptionrate;qualification
符 号
Q———换热量,kWQ0———表冷器换热量,kW
3———冷水机组4———冷却水循环泵
5———冷却塔风机或风冷冷凝器风机
Δh1———送回风焓差,kJ/kg
qm1———送风量,kg/s
1 前言
Δh———流体进出口焓差,kJ/kgξ———析湿系数
cp———定压比热,kJ/(kg・K)
大温差空调是通过增大冷(热)量输送过程
中载冷(热)剂的温差来提高冷(热)量的输送效率。大温差空调技术主要包括大温差送风、大温差冷冻水、大温差冷却水。空调大温差技术在国际上属新技术范畴,虽然已进入实用化阶段,但仍有很多问题需要进一步深入研究和解决,诸如针对不同情况下取多大的温差能最大程度的提高系统的效率的研究等还很少见到报道。
本文主要对大温差冷冻水的适用性进行讨论和研究(国内空调常规设计的冷冻水温差为5℃)。目前,已有少量工程采用了大温差冷冻水技术,例如:上海万国金融大厦冷冻水供回水温差为7.7℃(6.7～14.4℃);上海中国保险大厦冷冻
Δt1———送回风温差,K
qm———送风量,kg/scp———定压比热,kJ/(kg・K)
Δt———流体进出口温差,K
k———传热系数,kW/(m2・K)F———传热面积,m
2
Δtm———对数平均温差,K
qm———流体的质量流量,kg/s
下 标
1———末端风机2———冷冻水循环泵
收稿日期: 2007—08—01 修稿日期: 2007—09—26
DMACHINERY Vol136,No103,200868 FLUI
水供回水温差为8.9℃(6.7～15.6℃);上海儿童医学中心,采用的冰蓄冷系统冷冻水侧温差为7.58℃(5.72～13.3℃);上海金茂大厦则采用了
fiNNc
,riNNci
,Σfi=1
i=1
5
(3)
由上式可知:
ECR=Σfi(ri-1)
i=1
送风大温差设计;广州大学城区域供冷系统冷水
机组(不包括冰蓄冷)冷冻水供回水温差为7℃(6～13℃)
[1、2]
5
(4)
。
显然,要使大温差空调比常规温差空调节能的必要条件:
ECR
2 评价指标和方法
即:
5i=1
Σfiri
i=1
5
目前,国内外关于空调大温差系统经济分析的文献大都以工程案例或具体的设备性能参数来分析它的经济性,而且分析中同时比较了初投资的变化和能耗的变化,没有统一的评价指标,使得分析结果不便于推广应用。笔者认为大温差空调作为一项节能技术它的经济性评价,宜在同等初投资的条件下,以大温差空调和常规温差空调能的能耗比来评价;被投资方所接受。
,规温差空调系统具有同样的末端表冷器、风管系统、水路管道系统、冷热水机组和冷却塔(不包括冷却塔风机),仅仅是通过选配末端、冷却塔风机和循环水泵的电机来实现大温差空调。在这样的假设下:空调系统中各换热器换热面积和管路系统尺寸不变,即可认为其对应的造价不变,而末端和冷却塔风机及循环水泵电机的造价此消彼涨,从而保证初投资基本不变。
为了在同等初投资的条件下对大温差空调和常规温差空调能耗的比较,本文以“空调能耗比”
(EnergyConsumptionRate)来进行评价。空调能耗比(ECR)定义为在同等初投资的条件下大温差空调和常规温差空调的能耗比,即:
ECR=
Nc
(1)
Σfi(ri-1)
化参数。3 (5)
而且,当式(4)为极小值时,对应的参数是优
fi(i=1,)f1=0.08～0.10,f2=0.14～0.,f3=0.60～0.65,f4=0.09～0.12,f5=0.03～0.04。
在讨论冷冻水大温差时,空调系统中的能耗只有冷却水泵没发生变化,其它部分的能耗都发生了变化,其中末端的能耗增加,冷冻水水泵、冷水机组和冷却塔的能耗减小。即由前面的公式可知:
r1>1,r2
令:
f1f2
(7)
f5f2
f3f2
(6)
同理可得,冷冻水大温差的实用性判据为:
=f12,=f32,=f52,则上式可写成:
(1-r2)>f12(r1-1)+f32(r3-1)
+f52(r5-1)
(8)
通常情况下f32>>f52,而r3、r5同号并属同一数量级,故可忽略f52的影响,式(8)可简化为:
(1-r2)>f12(r1-1)+f32(r3-1)
(9)
式中 N———大温差工况空调系统能耗
Nc———常规温差工况空调系统能耗
现分两种情况进行讨论,第一种情况是将因冷冻水大温差使冷水机组降低的能耗,通过冷冻水参数的变化转移到空调末端上,即r3=1(也就是t0c=t0)。这样既方便计算又不影响结果。
这时的表达式:
(1-r2)>f12(r
1-1)
(10)
其中:
N=N1+N2+N3+N4+N5Nc=Nc1+Nc2+Nc3+Nc4Nc5
(2)
则可定义常规温差空调的能耗比例因子fi(i=1,2,…,5)和部分能耗比ri(i=1,2,…,5)。
第二种情况是使常规温差空调和大温差冷冻水空调的供水温度相等,即t2c=t2。
其中:
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(20)
这时的表达式即为式(9),不过此时的f32的取值范围:3.8～4.6。4 能耗比分析
T-TT0
TTkc-Toc
5 判据的应用
5.1 常规空调的参数列表
蒸发器的传热方程表示为:
Δtm(11)Q=kF
t2+Δt2-t0
Δt2cln
t2-t0
t2c+Δt2c-t0c
(12) =Δt2ln
t2c-t0c
对于空调末端表冷器,热输送方程可表示为:
(13)Q0=qm1Δh1=qm1ξcpΔt1
在“同等初投资”假设条件下,r1可表示为:
Δt1c3N1
)(14)r1==Δt1N1c
设有一常规中央空调系统,其系统运行参数如表1所示。
表1 常规中央空调运行参数
项目系统参数
参数
送风温度t1c(℃)送风温差△t1c(℃)冷冻水供水温度t2c(℃)冷冻水供回水温差△t2c(℃)冷却水供水温度t4c()t4toc(℃)tkc数值16
8753254
考虑末端两种运行工况的传热方程,40
:COPc4.8
-2
(Δt1t2c)11-t2
根据表1的数据,按照上面导出的公式对大
Δt-Δt温差空调进行计算和分析。) =(Δt1t2ln(1+
t1c-t2c
5.2 大温差冷冻水的适用性
(15)
针对第一种情况:定义f12cr为冷冻水大温差的
根据“同等初投资”假设,大温差和常规温差
(1-r2)
空调的水系统除水泵不一样外,其他完全相同。临界能耗比,即f12cr=。根据式(10)、
(r1-1)
因此冷冻水或冷却水输送功率的变化同质量流量
(12)、(14)、(15)(19)组成的方程组,可对冷冻水
的变化关系可由下式表示:
大温差的适用性判据进行计算,通过对各个方程
qm3=)Ncqmc
(16)
此关系式同样可应用于风系统中,而热输送
方程为:
(17)Q=qmΔh=qmcpΔt
由冷冻水系统两种运行工况的热输送方程可得:
qΔt(18)=
qm2cΔt2
Δt2c3N2
)(19)故:r2==Δt
2N2c由于大温差空调和常规温差空调有相同的制
冷量;对同一台冷水机组,在运行工况变化不大的情况下,可假设机组的热力完善度不变,即:
ββc=
故: r3εεN3βcccεεNc3β
COPc
联合求解从而简化了临界能耗比f12cr与冷冻水温
差Δt2之间的关系,并利用matlab软件的绘图功能可以画出反映冷冻水温差Δt2与临界能耗比
f12cr之间关系的二维图形,如图1所示。
从图1可知,如果常规温差的空调末端和冷冻水水泵的能耗比f12cr与拟采用的大温差冷冻水的温差△t2的交点处在由大温差临界曲线和两个坐标轴围成的区域内,则系统是节能的;反之,系统能耗反而是增加的。对于空调末端和冷冻水泵的能耗比f12在0.5～0.7之间的常规空调而言,冷冻水温差不宜大于9.2℃,针对第二种情况:定义
f12cr为冷冻水大温差的临界能耗比即f12cr=
1-rr1-1
εc
-f32
r3-1
1-r2
,根据式(9)、(12)、(14)、(15)、(19)、
(20)组成的方程组,此时定常规空调能耗比f32=
4.2。同样利用matlab绘图功能可以画出反映冷
DMACHINERY Vol136,No103,
200870 FLUI
冻水温差Δt2和临界能耗比f′12cr之间关系的二维
图形,如图2所示
。
冻水大温差空调系统进行了深入研究,提出了含有串联结构的冷冻水水路系统,使冷冻水冷量得以梯级利用,大大拓宽了冷冻水大温差空调的应
[5]
用范围。该技术在苏州东桥花园宾馆得到了应用,取得很好的效果。6 结语
中央空调大温差技术的应用必然引起系统中其它设备能耗的增加,因此,研究大温差技术适用性判据对大温差中央空调技术的推广应用极为重要。同等初投资能耗比较方法的引入,使大温差中央空调适用性判据有了广泛的适用性;而利用,,否适用。
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从图2可知,对于空调末端和冷冻水泵的能
耗比f12在0.5～0.7之间的常规空调而言,冷冻水温差不宜大于7.6℃。
由于以上的分析可得出相对应的冷冻水供回水温差的适用范围为小于9.2℃和小于7.6℃,而目前各设计院推荐的大温差冷冻水的温差范围为6～10℃,因此,在冷冻水大温差空调的应用实践中出现了有正反两种案例的原因(上接第53页)
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作者简介:付秉恒(19842),男,硕士研究生,研究方向为制冷空调节能技术,通讯地址:200135上海市浦东新区浦东大道1608号1419室。
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作者简介:高清华(19832),女,研究生,主要从事直接蒸发式冷蓄冷空调的研究,通讯地址:510640广东广州市中国科学院广州能源研究所空调与蓄冷技术实验室。
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